引言：常量在C++中的重要性

作为一名资深C++开发者，我深知常量机制是C++语言的核心之一。它不仅能提升代码的安全性和可读性，还能优化性能，让编译器在编译时就进行计算。 const和constexpr是两个关键关键字，前者强调不变性，后者则推动编译时求值。今天，我们将深入探讨这两个“常量兄弟”，从介绍、特点，到详细模块分类、应用场景，并配以丰富代码示例。无论你是C++新手还是老鸟，这篇指南都能让你收获满满！

const关键字早在C++的早期标准中就存在，用于声明不可修改的对象、指针或成员函数。它确保数据在初始化后保持不变，防止意外修改，从而提升代码的鲁棒性。constexpr则是C++11引入的“升级版”，它不仅仅是const的补充，还要求表达式能在编译时求值，这在模板元编程和性能优化中大放异彩。

根据C++标准（ISO/IEC 14882），const属于cv限定符（const-volatile qualifiers），而constexpr则与常量表达式（constant expressions）紧密相关。接下来，我们按模块分类详解。

const与constexpr的特点对比

const的特点

• 不变性保障：const对象初始化后不可修改，直接修改会导致编译错误，间接修改（如通过指针）则引发未定义行为。
• 链接性影响：非局部、非volatile的const变量默认具有内部链接（internal linkage），这在多文件项目中避免符号冲突。
• 类型转换：const支持从非const到const的隐式转换，但反之需使用const_cast。
• 优化潜力：编译器可对const对象进行优化，如在表达式中忽略无副作用的部分。
• 兼容性：const可用于变量、指针、引用、成员函数等，几乎无处不在。

constexpr的特点

• 编译时求值：constexpr要求初始化或函数调用能在编译期完成，提升运行时性能。
• 隐含const：constexpr变量自动带有const属性（直到C++14）。
• 字面类型要求：参数和返回值必须是字面类型（literal types），如标量、引用或特定类。
• 函数限制：函数体不能包含goto（直到C++20部分放宽）、非字面变量定义等。
• 演进性：从C++11的严格限制，到C++14允许循环和局部变量，C++17支持lambda，C++20允许动态分配，C++23进一步放宽（如允许goto）。

const vs constexpr的区别

• const关注运行时不变性，初始化可延迟到运行时；constexpr强制编译时初始化。
• const变量不一定是常量表达式（如const int sz = runtime_var;），而constexpr变量总是常量表达式。
• constexpr函数可作为普通函数使用，但const无此概念。
• 示例：const int max = 100; // 可能运行时初始化 constexpr int limit = 100; // 必须编译时求值

这些特点让const更适合运行时保护，constexpr则针对性能和元编程。接下来，按模块分类详解。

详细模块分类

我们将const和constexpr的使用按模块分为：变量模块、指针与引用模块、函数模块、类与成员模块、模板与高级模块。每模块包括子特点、应用场景及代码示例。

1. 变量模块

介绍与特点

变量是const和constexpr最基本的应用。const变量确保不变，constexpr变量进一步要求编译时初始化，且必须是字面类型。const变量可有运行时初始化，constexpr则不行。

应用场景

• const：用于配置常量、只读数据，如PI值或数组大小（如果初始化为常量表达式）。
• constexpr：用于模板参数、枚举值、数组尺寸，确保零开销计算，如计算阶乘。

代码示例

 #include <iostream>
 
 int main() {
     const int const_var = 42;  // const变量，初始化后不可改
     // const_var = 100;  // 错误：不能修改const对象 
 
     constexpr int constexpr_var = 42;  // constexpr变量，编译时求值
     std::cout << const_var << " " << constexpr_var << std::endl;  // 输出：42 42
 
     // 运行时初始化const
     int runtime = 10;
     const int runtime_const = runtime;  // OK，但不是常量表达式
     // std::array<int, runtime_const> arr;  // 错误：非常量表达式 
 
     // constexpr必须编译时
     constexpr int factorial(int n) { return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n-1); }
     constexpr int fact5 = factorial(5);  // 编译时计算120 
     std::cout << fact5 << std::endl;  // 输出：120
 }

在这个示例中，const_var适合简单不变性，constexpr_var和fact5则利用编译时优化，减少运行时计算。

2. 指针与引用模块

介绍与特点

const可限定指针本身或指向的对象，constexpr指针则要求指向静态存储或nullptr。引用类似，const引用防止修改被引对象，constexpr引用需绑定常量表达式。

应用场景

• const：函数参数传递大对象时用const引用，避免拷贝且防止修改。
• constexpr：静态数据指针，如字符串字面量指针，用于模板或常量表。

代码示例

 #include <iostream>
 
 int main() {
     int val = 10;
     const int* ptr_to_const = &val;  // 指向const的指针，不能通过指针修改
     // *ptr_to_const = 20;  // 错误 
     ptr_to_const = nullptr;  // OK，指针可变
 
     int* const const_ptr = &val;  // const指针，指针不可变
     *const_ptr = 20;  // OK，指向对象可改
     // const_ptr = nullptr;  // 错误 
 
     constexpr const char* str = "Hello, constexpr!";  // 指向字符串字面，编译时
     std::cout << str << std::endl;  // 输出：Hello, constexpr!
 
     // const引用
     const int& const_ref = val;
     // const_ref = 30;  // 错误
 }

指针模块中，const提供灵活保护，constexpr确保指针值在编译时确定，适合嵌入式或性能敏感场景。

3. 函数模块

介绍与特点

const用于成员函数，表示不修改对象（this为const）。constexpr函数要求函数体可编译时求值，返回字面类型。C++14后放宽，允许循环等。

应用场景

• const：getter函数，确保不改状态。
• constexpr：数学函数、哈希计算，编译时执行，提升启动速度。

代码示例

 #include <iostream>
 
 class Demo {
 public:
     int data = 0;
     int getData() const {  // const成员函数
         // data = 10;  // 错误，不能修改non-mutable成员 
         return data;
     }
 };
 
 constexpr int square(int x) {  // constexpr函数
     return x * x;
 }
 
 int main() {
     Demo obj;
     std::cout << obj.getData() << std::endl;  // 输出：0
 
     constexpr int sq = square(5);  // 编译时25 
     std::cout << sq << std::endl;  // 输出：25
 
     // C++14+允许循环
     constexpr int sum(int n) {
         int total = 0;
         for(int i = 1; i <= n; ++i) total += i;
         return total;
     }
     constexpr int s = sum(10);  // 编译时55
     std::cout << s << std::endl;
 }

函数模块突出const的接口安全和constexpr的性能魔力，尤其在C++17支持lambda后，更强大。

4. 类与成员模块

介绍与特点

const可用于类成员（mutable除外），constexpr用于构造函数/析构函数，要求所有成员初始化为常量表达式。C++20后析构可constexpr。

应用场景

• const：const对象调用const成员函数。
• constexpr：字面类，如自定义字符串，用于常量表达式中。

代码示例

 #include <iostream>
 
 class ConstClass {
     int value;
     mutable int count;  // mutable允许在const中修改
 public:
     ConstClass(int v) : value(v), count(0) {}
     void increment() const { count++; }  // OK 
     int getValue() const { return value; }
 };
 
 struct ConstexprStruct {  // 字面类型类
     int x;
     constexpr ConstexprStruct(int val) : x(val) {}
     constexpr int getSquare() const { return x * x; }
 };
 
 int main() {
     const ConstClass cc(42);
     cc.increment();  // mutable OK
     std::cout << cc.getValue() << std::endl;  // 42
 
     constexpr ConstexprStruct cs(5);
     constexpr int sq = cs.getSquare();  // 编译时25
     std::cout << sq << std::endl;
 }

类模块中，mutable是const的“例外门”，constexpr让类参与常量计算，C++20的constexpr析构扩展了寿命管理。

5. 模板与高级模块

介绍与特点

const在模板中用于参数限定，constexpr在模板元编程中大显身手，如计算模板参数。C++20引入consteval（强制编译时）和constinit（静态初始化）。

应用场景

• const：模板函数参数保护。
• constexpr：SFINAE、traits计算，编译时决策。

代码示例

 #include <iostream>
 #include <type_traits>
 
 template <int N>
 struct Factorial {
     static constexpr int value = N * Factorial<N-1>::value;
 };
 template <>
 struct Factorial<0> { static constexpr int value = 1; };
 
 template <typename T>
 constexpr bool is_even(T x) { return x % 2 == 0; }
 
 int main() {
     constexpr int fact = Factorial<5>::value;  // 120，模板元编程 
     std::cout << fact << std::endl;
 
     static_assert(is_even(4), "Not even!");  // 编译时检查 OK
 
     // C++20 consteval
     consteval int add(int a, int b) { return a + b; }
     constexpr int res = add(1, 2);  // 必须编译时
     std::cout << res << std::endl;
 
     // constinit
     constinit const int global = 100;  // 静态初始化，确保无动态
 }

模板模块是constexpr的“战场”，结合static_assert，实现编译时验证。

应用场景扩展

在实际开发中，const常用于API设计（如STL容器const_iterator），防止误改。constexpr在嵌入式系统、游戏引擎中优化启动，如预计算表。 在多线程中，const提升安全性；constexpr减少运行时开销。在C++23，constexpr支持更多动态特性，如goto，适用于复杂算法。

结合使用：constexpr int const_var = 10; // 既不变又编译时。

结语：成为常量大师

通过本指南，你已掌握const与constexpr的精髓。实践是关键，多写代码实验！ 如果你是C++爱好者，记得在项目中应用这些技巧，提升代码质量。

参考：C++标准文档、cppreference.com。