В чем разница между constexpr и const в C++?

Основное различие: время жизни и гарантии

Главное отличие между const и constexpr заключается в том, когда значение становится известным и какие гарантии дает компилятор.

const — это квалификатор типа, который говорит: "Это значение нельзя изменить после инициализации". Однако само значение может быть вычислено во время выполнения программы (runtime). Например:

int x = 42;
const int y = x; // y — константа, но ее значение не известно до запуска программы

constexpr — это спецификатор, который требует, чтобы значение (или результат функции) был известен на этапе компиляции (compile-time). Если компилятор не может этого гарантировать, программа не скомпилируется:

constexpr int z = 42; // OK: известно на этапе компиляции
int x = 42;
constexpr int w = x; // Ошибка! x не является константой времени компиляции

Когда использовать constexpr для переменных?

• Когда вам нужно объявить размер массива (размер должен быть известен на этапе компиляции).
• Когда вы работаете с шаблонами и параметрами, которые должны быть константами времени компиляции (например, std::array<int, N>).
• Когда вы хотите быть уверены, что значение не только не изменится, но и будет вычислено до запуска программы (оптимизация).

Когда использовать constexpr для функций?

Ключевое слово constexpr перед функцией говорит компилятору: "Я гарантирую, что эту функцию можно вычислить на этапе компиляции, если все аргументы — тоже константы времени компиляции". Пример:

constexpr int factorial(int n) {
    return (n <= 1) ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}
constexpr int val = factorial(5); // 120, вычислено в compile-time
int runtime_val = factorial(10); // Тоже работает, но вычисляется в runtime

Важно: в C++11 тело constexpr функции должно состоять из одного return (без циклов и сложной логики). Начиная с C++14, ограничения смягчены.

Может ли constexpr заменить const?

Нет, не может и не должен. constexpr — это более строгая гарантия. Используйте constexpr только тогда, когда вам действительно нужно compile-time значение. В остальных случаях используйте const:

• const для переменных, которые не изменяются, но инициализируются данными из внешнего мира (например, из файла, из ввода пользователя).
• constexpr для настоящих констант (математические константы, размеры буферов, таблицы значений).

Наглядный пример

#include <iostream>
#include <array>

constexpr int compile_time_square(int x) { return x * x; }

int main() {
    // 1. constexpr — работает
    constexpr int arr_size = compile_time_square(10);
    std::array<int, arr_size> arr; // OK: размер известен

    // 2. const — не сработает для размера массива
    int runtime_val = 10;
    const int bad_size = compile_time_square(runtime_val);
    // std::array<int, bad_size> bad_arr; // Ошибка! bad_size не constexpr

    // 3. const — отлично работает для runtime-констант
    std::cout << "Enter a number: ";
    int input;
    std::cin >> input;
    const int user_val = input; // Нельзя изменить, но значение из runtime
    std::cout << user_val << std::endl;
    return 0;
}

Итог

Используйте const для логической неизменяемости (semantic constness). Используйте constexpr для гарантии вычислений на этапе компиляции (compile-time evaluation). Это разные инструменты для разных задач.

template<int N>
struct Factorial {
    static constexpr int value = N * Factorial<N-1>::value;
};
template<>
struct Factorial<0> {
    static constexpr int value = 1;
};
// Использование:
constexpr int f5 = Factorial<5>::value; // 120