constexpr 与 consteval

本课属于 Coddy C++ 学习旅程的“面向对象编程”单元。第 87 课，共 104 课。

C++ 允许在编译时而不是运行时进行计算，这可以显著提升性能。constexpr 关键字（C++11）和 consteval 关键字（C++20）让你可以控制表达式的求值时间。

如果传入常量参数，constexpr 函数可以在编译时求值，但也可以在运行时处理非常量输入：

#include <iostream>

constexpr int square(int n) {
    return n * n;
}

int main() {
    constexpr int compileTime = square(5);  // 在编译时求值
    
    int x = 7;
    int runtime = square(x);  // 在运行时求值
    
    std::cout << compileTime << "\n";  // 25
    std::cout << runtime << "\n";      // 49
}

需要确保在编译时求值时，请使用 consteval。consteval 函数必须生成常量，使用运行时值调用它会导致编译错误：

consteval int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

int main() {
    constexpr int result = factorial(5);  // OK：120 在编译时计算得出
    
    // int x = 5;
    // int bad = factorial(x);  // ERROR：x 不是常量
}

你还可以将 constexpr 用于变量，甚至用于类构造函数，从而在编译时创建整个对象。这对于查找表、配置值或程序运行期间不会变化的数据尤其有用。

挑战

简单

你将把代码组织到 3 个文件中：

MathUtils.h：定义编译时数学函数。
创建以下函数：
- cube：一个 constexpr 函数，接收一个 int，并返回它的立方（n * n * n）
- triangularNumber：一个 constexpr 函数，使用公式 n * (n + 1) / 2 计算第 n 个三角数。在此任务中，我们只会在编译时上下文中调用它，并将结果存储在 constexpr 变量中。
- sumOfSquares：一个 constexpr 函数，接收两个整数，并返回它们的平方和（a*a + b*b）
Config.h：使用编译时常量创建一个配置结构体。
定义一个 Config 结构体，并添加一个 constexpr 构造函数，接收 3 个整数：width、height 和 depth。将它们存储为公有成员。再添加一个名为 volume() 的 constexpr 方法，返回 width * height * depth。
在结构体下方，创建一个名为 DEFAULT_CONFIG 的 constexpr 全局常量，并将其初始化为 10、20 和 5。
main.cpp：从输入中读取两个整数，表示运行时的值。
首先，创建 constexpr 变量，演示编译时求值：
- 将 cube(4) 存储在一个 constexpr 变量中，并打印：Cube of 4: [value]
- 将 triangularNumber(10) 存储在一个 constexpr 变量中，并打印：10th triangular number: [value]
- 打印默认配置的体积：Default volume: [value]
然后，使用两个输入值，演示 constexpr 函数也可以在运行时使用：
- 使用第一个输入调用 cube()，并打印：Cube of [input]: [result]
- 使用两个输入调用 sumOfSquares()，并打印：Sum of squares: [result]

例如，输入 3 和 4 时：

Cube of 4: 64
10th triangular number: 55
Default volume: 1000
Cube of 3: 27
Sum of squares: 25

输入 5 和 12 时：

Cube of 4: 64
10th triangular number: 55
Default volume: 1000
Cube of 5: 125
Sum of squares: 169

亲手试试

#include <iostream>
#include "MathUtils.h"
#include "Config.h"

using namespace std;

int main() {
    // 从输入中读取两个整数
    int input1, input2;
    cin >> input1;
    cin >> input2;
    
    // TODO：演示编译时求值
    // 创建一个 constexpr 变量来存储 cube(4) 的值，并输出："Cube of 4: [value]"
    
    // TODO：创建一个 constexpr 变量来存储 triangularNumber(10) 的值
    // 并输出："10th triangular number: [value]"
    
    // TODO：输出默认配置的音量："Default volume: [value]"
    
    // TODO：演示如何在运行时使用 constexpr 函数
    // 用 input1 调用 cube()，并输出："Cube of [input1]: [result]"
    
    // TODO：用两个输入值调用 sumOfSquares()
    // 并输出："Sum of squares: [result]"
    
    return 0;
}

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