前言

最开始看const和constexpr的区别，知道const用来限定只读语义，constexpr用来定义常量语义。只不过“只读”和“常量”的含义，略微有点抽象。其实前者就是指运行期的“不可变性”，后者就是用来实现编译期计算。那么就计算机底层而言，二者到底会有什么不同呢？下面就从汇编指令来直观体会一下什么是constexpr的“编译期计算”，也顺便理解理解“运行时”和“编译时”、“动态”和“静态”这些名词。

constexpr 常量

const和constexpr都可以定义编译期常量。

• 定义变量a

void test(){
    int a = 1;
    int b = a + 1;
}

对应汇编指令为，

test():
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 1     # 定义a = 1
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]   # 把a存入寄存器eax
        add     eax, 1                   # 执行eax += 1
        mov     DWORD PTR [rbp-8], eax   # 把eax存入b
        nop
        pop     rbp
        ret

以上包含了计算b的过程，需要从eax寄存器读取b的值。

• 定义constexpr/const常量a

void test(){
    constexpr int a = 1;
    int b = a + 1;
}

对应汇编指令为：

test():
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 1      # 定义a = 1
        mov     DWORD PTR [rbp-8], 2      # 定义b = 2
        nop
        pop     rbp
        ret

与未使用constexpr相比，少了两条指令，采用的是立即数寻址的方式，直接将2存入了b中。

constexpr 函数

• 定义不带constexpr的函数

int square(int num) {
    return num * num;
}

int main(){
    int b = 1 + square(1);
    return 0;
}

对应汇编指令为：

square(int):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        imul    eax, eax
        pop     rbp
        ret
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     edi, 1                  # 把参数1存入寄存器edi
        call    square(int)             # 调用square函数
        add     eax, 1                  
        mov     DWORD PTR [rbp-4], eax
        mov     eax, 0
        leave
        ret

在运行时会调用square函数进行计算。

• 定义constexpr函数

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

int main(){
    int b = 1 + square(1);
    return 0;
}

对应汇编指令为：

main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 2         # 把2存入b
        mov     eax, 0
        pop     rbp
        ret

当直接传入常数2到 square函数，与未使用constexpr相比，少了多条汇编指令，没有了函数调用的指令，直接将2存入了b中。

测试程序：https://compiler-explorer.com/z/5TnMTrrqr

总结

以上从底层汇编指令的角度体会了一下什么是constexpr的编译期计算，总之，const用于限定变量运行期的“不可变性”；constexpr用于定义常量、常量表达式或常函数，实现编译期计算。

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