跟我学C++中级篇——宏与constexpr-编程实验室

一、综述

在C++语言中，宏与constexpr(const)，主要于常量和表达式的处理，特别是在编译期计算时，有着重要的作用。很多开发者可能对二者的使用非常多，但二者到底有什么不同可能不是很清楚。或者说，无法清晰的描述出二者的不同，只可意会，无法言传。
下面将对二者在不同的角度进行细节上的区分和说明。

二、宏与constexpr的区别

对于宏于常量处理可以从形式和内容、编译期和作用域等角度进行对比，其区别在于：

类型检查
对于宏来说，是不进行类型检查的，而constexpr作为C++中的关键字，是要进行强类型检查的

#definePI3.14159constexprintx=100;doubleret=PI*3;constexprdoubled=x*3;

作用域的处理
宏只是单纯的替换，不受作用域的控制；而constexpr则不然，它作为关键字当然受作用的限制，如名空间等

#define PI 3.14 namespace Demo{ #define LEN 10 constexpr int d = 10; } int ret = PI*2; ret = LEN *2; ret = Demo::d *2;

应用范围
宏可以用在预处理阶段（编译前）和条件编译，而constexpr只能用于编译阶段且不能用于条件编译，但它可用于编译期计算

#ifdefDEBUG#defineSIGNAL100#else#defineSIGNAL1#endif

对字符串的处理不同
宏可以使用“#”和“##”来进行字符串的处理；而constexpr则只是一种关键字进行常量限定，但支持复杂的字符串操作

#defineSTRING(x)#x#defineCONCAT(s1,s2)s1##s2constevalautostr_concat(){returnstd::string_view("hello")+" "+"world";}

对调试的友好度
宏由于只是在编译期进行替换动作，所以其对调试并不友好，调试相对困难；而constexpr则对调试非常友好，可以展现相关的错误信息，便于调试
异常的引入
对宏来说，由于开发复杂，比如小括号的处理和换行符的处理往往导致异常的情况；而constexpr则定义清楚，安全可控

#defineMUL(x,y)x*y//表达复杂的情况下会出现问题MUL(2+3,10);//=32,期望是50

复杂编程
宏可以从简单到复杂的应用，但使用宏来实现复杂的逻辑，对于开发者的水平要求非常高；而constexpr则只是一个关键字，谈不上简单复杂的应用一说。有兴趣的可以看一下前面的反射相关中的复杂的宏应用，此处不再赘述
可维护性
简单的宏还好，但对于稍微复杂一些的宏来说，可维护性就相对差不少了；而对constexpr来说，可维护性只与其使用的场景有关而与其自身无关

需要赘述一下的是，在C++20以后，扩展了constexpr的应用范围，增加了consteval关键字，这都是对常量（表达式）的一种更广泛的推广应用。大家可紧密的跟踪新标准的中相关说明，不断的扩展自己的眼界。

三、应用场景选择

在前面的文中也反复提到过，在没有特殊的情况下，不建议使用宏，特别是复杂的宏开发。宏与C++的强类型语言本身还是有些相悖的，所以一般都是推荐使用constexpr。同时，constexpr对调试的友好性，也容易在出现问题后便于定位和解决问题。
但宏也有其优势之处，特别是在条件编译和预处理时，constexpr则只能望洋兴叹，力有所不逮。另外，对于控制头文件的重复包含、编译器或硬件平台的特性支持以及一些底层预定义应用的宏，也都是宏应用的优势之处。

四、例程

下面给出一个对比的例程：

#include<iostream>#include<chrono>#include<array>// 宏#defineSQUARE(x)((x)*(x))// constexprconstexprintconstSquare(intx){returnx*x;}constexprintcompileTest(){constintmRet=SQUARE(5);constexprintcRet=constSquare(5);static_assert(SQUARE(3)==7,"cacl err");//可修改7为9static_assert(constSquare(3)==9,"constexpr cacl err");return0;}intmain(){//编译期测试constexprintret=compileTest();intx=2;intmacRet=SQUARE(x);std::cout<<"cur cacl ret is:"<<ret<<","<<macRet<<std::endl;//编译期和运行期计算constexprintcSquare=constSquare(2);intrSquare=constSquare(x);std::cout<<"cur cacl ret is:"<<cSquare<<","<<rSquare<<std::endl;//加和计算inty=3;intsumRet=SQUARE(x+y);intcSumRet=constSquare(x+y);std::cout<<"cur cacl ret is:"<<sumRet<<","<<cSumRet<<std::endl;return0;}