constexpr

const 只保证不能通过这个名字修改，值仍可以到运行时才确定。constexpr 进一步要求初始化结果能够在编译期确定，适合表达数组长度、棋盘尺寸和固定阈值等规则值。本章还会比较普通 constexpr 与头文件中的 inline constexpr，并说清 constexpr 函数的定义为何要放头文件、哪些函数才值得这么写。

编译期规则

constexpr 变量创建后不可修改，初始化结果必须在编译期确定，是比 const 更严的常量：const 的修改限制同样满足，另加编译期确定一条。运行时才能确定的值只能用 const：

片段：编译期与运行时的分界

// 片段
int input{};
std::cin >> input;
const int kLimit{input};        // 运行时才知道，const 足够
constexpr int kThreshold{5000}; // 编译期确定

// constexpr int kMax{kLimit};  // 编译失败：kLimit 编译期未知

数组长度这类要求编译期常量的位置只能接受 constexpr。完整示例还包含一个极简谓词函数，输入落在区间内就返回 true：

constexpr.cpp

#include <iostream>

constexpr bool IsInRange(int value, int low, int high) {
  return value >= low && value <= high;
}

int main() {
  constexpr int kThreshold{5000};
  constexpr double kRatio{0.90};

  std::cout << "阈值: " << kThreshold << "\n";
  std::cout << "比例: " << kRatio << "\n";
  std::cout << std::boolalpha
            << "4200 在区间内: " << IsInRange(4200, 0, kThreshold) << "\n";
  return 0;
}

头文件常量

项目公共常量通常写在头文件里，供多个 .cpp 包含。常规写法是具名命名空间加 inline constexpr：

片段：头文件中的共享常量

// 片段：board_constants.h
namespace board {
  inline constexpr int kRows{3};
  inline constexpr int kCols{3};
}
// 包含该头文件的每个 .cpp 里都写 board::kRows，
// 多份包含不会产生重复定义

命名空间的分组规则见命名空间。tictactoe::kRows 是带限定名的共享常量。命名空间作用域的 const 与 constexpr 变量默认内部链接，每个 .cpp 各有一份拷贝，通常无害但地址不共享。inline（C++17 起可用于变量）把多份拷贝合并成一个。局部 constexpr 不参与链接，不能加 inline。

推荐次序是：项目公共常量放在具名命名空间里加 inline constexpr，只在单个 .cpp 使用的常量就近放在函数内或该文件的匿名命名空间里，裸的全局常量尽量不用。

井字棋工程的行数采用同一写法，见 board.h 里的 kRows。

常量与函数

头文件里常量与函数对 inline 的要求不同。一句话规则：常量要显式 inline，函数写 constexpr 就够。

实体	`constexpr` 是否隐含 `inline`	头文件写法
命名空间作用域常量	否	显式写 `inline constexpr`
自由函数	是，首次声明即隐式	只写 `constexpr`
类内 `static constexpr` 数据成员	是，C++17 起隐式	只写 `static constexpr`

三种写法放在同一个头文件里对照：

片段：常量与函数的 inline 写法对照

// 片段：board_constants.h
namespace board {
  // constexpr int kRows{3};      // 不佳：缺 inline，每个 .cpp 各有一份拷贝
  inline constexpr int kRows{3};  // 正确：多份包含共享同一实体

  constexpr bool IsValid(int row, int col);  // 正确：函数隐式 inline

  struct Board {
    static constexpr int kSize{9};  // 正确：static constexpr 成员隐式 inline
  };
}

类内 static constexpr 成员与命名空间变量不要混为一谈：前者随 constexpr 隐式 inline，后者必须显式写出。选型依据的完整对照见常量关键字对照表。

inline 的取舍

constexpr 常量加不加 inline，编译都能通过，差别在使用中显现：

不加 inline：每个 .cpp 一份拷贝，值相同、地址不同。只读取值时没有影响。取地址或绑定引用跨翻译单元使用时，同一常量有多个地址。
加 inline：所有翻译单元共享同一个实体，地址唯一，多份包含不产生重复定义。
普通（非 const、非 inline）全局变量写在头文件里，缺了 inline 会在链接期报重复定义。编译往往还能通过，问题推迟到链接期才出现，排查时先想到这一层。

需要跨翻译单元共享同一实体时，显式写 inline constexpr。

自由函数与 inline

头文件中的 constexpr 自由函数隐式 inline，可直接放在头文件供多个 .cpp 包含；函数内常量不能也不必写 inline，典型形态是谓词：

片段：头文件中的谓词

// 片段：board_constants.h
namespace board {
  inline constexpr int kRows{3};
  inline constexpr int kCols{3};

  struct Position {
    int row;
    int col;
  };

  constexpr bool IsValid(Position position) {
    return position.row >= 0 && position.row < kRows && position.col >= 0 &&
           position.col < kCols;
  }
}
// 谓词是隐式 inline 的函数，多份包含不会产生重复定义

定义在头文件

constexpr 函数要在编译期求值，调用点必须看得到完整函数体。定义放在 .cpp 里时，其他 .cpp 只看到声明，编译期调用直接失败：

片段：定义放错位置的 constexpr 函数

// 片段：math_utils.h
constexpr int Square(int n);  // 只有声明

// 片段：math_utils.cpp
constexpr int Square(int n) {
  return n * n;
}

// 片段：main.cpp
#include "math_utils.h"

constexpr int kArea{Square(3)};  // 编译失败：调用点看不到函数体

普通函数拆成「头文件声明、.cpp 定义」没有问题：编译器先记住有这个函数，链接器再把调用接到定义上。编译期求值发生在编译单个 .cpp 的时候，编译器只看得到本文件，定义必须随头文件进入每个用到它的翻译单元。

定义跟着头文件会产生多份拷贝，constexpr 函数隐式 inline，链接阶段只保留一份，不会重复定义；前文的 IsValid 谓词正是这样放进头文件的。

值得放进头文件的是需要编译期求值的函数：编译期查表、单位换算，以及井字棋工程里由 Player 得到 CellState 的简单映射（见 game.h 里的 PlayerToCellState）。

标准演化

能力随标准逐步扩展，遇到旧代码时知道关键节点即可：

标准节点	与常量相关的变化
C++11	引入变量与函数形式，函数限制很严
C++14	放宽函数能写的语句
C++17	引入 `inline` 变量，头文件里 `inline constexpr` 成为公共常量的常规写法，类内 `static constexpr` 数据成员隐式 `inline`
C++17 之前	头文件常量常靠枚举、宏或只在一个 `.cpp` 里定义来规避链接问题
C++20	新增 `consteval` 与 `constinit`，对比细节见下一章

常见错误

头文件全局变量

头文件会被多个 .cpp 包含，普通全局变量在链接时报重复定义，共享常量写成 inline constexpr。

函数内常量加 inline

inline 描述跨翻译单元共享，只用于命名空间或类作用域，写在函数体内会直接编译失败，局部常量写 constexpr 就够。

函数全部 constexpr

头文件里的函数体每改一次，所有包含它的 .cpp 都要重新编译，普通运行期函数不要跟着搬。

自测问题

运行时才能确定的输入为什么不能写成 constexpr？

查看答案

constexpr 要求初始化结果在编译期确定，运行时输入的值没有编译期答案，只能用 const。
头文件里的公共常量为什么写成 inline constexpr？

查看答案

constexpr 保证编译期确定且不可修改，inline 让所有翻译单元共享同一个实体，多份包含不会重复定义。
C++17 的 inline 变量解决了什么问题？

查看答案

在此之前头文件常量要靠枚举、宏或“只在一个 .cpp 里定义”规避链接问题。inline 变量让定义直接写在头文件里且只保留一份实体。
头文件里的 constexpr 谓词要不要显式写 inline？

查看答案

不需要。constexpr 函数隐式 inline，定义放进头文件供多个 .cpp 包含也不会重复定义。显式写出不算错误，只是冗余。
constexpr 函数的定义放在头文件里和放在 .cpp 里有什么区别？

查看答案

头文件里的定义让每个包含它的 .cpp 都看到完整函数体，调用能在编译期求值，也便于编译器内联；多份副本由隐式 inline 在链接期合并，不重复定义。放在 .cpp 里时，其他 .cpp 只有声明，编译期调用直接编译失败。代价是头文件函数体每改一次，所有包含它的 .cpp 都要重新编译。

本章回顾

你已经能区分 const 与 constexpr 的适用条件，把共享常量与简单谓词放进头文件，并说出 constexpr 函数定义放头文件的原因。示例见 constexpr.cpp，下一章把同族关键词放进一张对照表。