Differences between keywords constexpr, consteval and constinit

C++20 新增了两个 const 相关的关键字，于是当前存在四个相似的关键字：const，constexpr，consteval 和 constinit。

接下来分别来进行讨论。

第一，经过 const 修饰的变量具有只读属性，并且初始化发生于运行期。也就是说，若一个变量定义之后不允许被修改，就应该给它加上 const。若在一个成员函数中不修改任何成员变量，就应该在成员函数后面加上 const。但是，它也可能发生于编译期，例如以 const int 代替宏来定义数组大小。

第二，经过 constexpr 修饰的变量或是函数，既保证只读，又发生于编译期。然而，只有在参数是常量，和显式地以其返回值来初始化一个编译期常量时，它修饰的函数才会一定发生于编译期。如：

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

int main() {
  // compile time
  static_assert(sqr(10) == 100);

  // compile time
  int array[sqr(10)];

  // compile time
  constexpr int res = sqr(10);

  // compile time or run time
  int tmp = sqr(10);

  // run time
  int a = 10;
  int tmp2 = sqr(a);
}

此处，最后两个都可能发生于运行期。

第三，consteval 用于创建一个 immediate function（立即函数），immediate function 的每次调用都会创建一个编译期常量。经过该关键字修饰的函数会自动 inline，这个函数中不能包含 static 数据，或是 try、goto、new 这种指令，也不能调用或使用非常量的函数与数据。所以，简单来说，经过 consteval 修饰的函数必定会在编译期解析。

一个小例子：

int sqr1(int n) {
    return n * n;
}

constexpr int sqr2(int n) {
    return n * n;
}

consteval int sqr3(int n) {
    return n * n;
}

int main() {
  //constexpr int res1 = sqr1(10); // error! run time
  constexpr int res2 = sqr2(10);   // compile time
  constexpr int res3 = sqr3(10);   // compile time

  int a = 10;
  int res4 = sqr1(a);              // run time
  int res5 = sqr2(a);              // run time
  //int res6 = sqr3(a);            // error! compile time
}

这里有三个版本的 sqr 函数，sqr1() 无任何修饰，所以只能在运行期调用；sqr2() 以 constexpr 修饰，可能发生于运行期，也可能发生于编译期，取决于传入的参数；sqr3() 以 consteval 修饰，所以必定发生于编译期。因此，企图用运行期函数(sqr1)的返回值来初始化编译期常量，或是企图用非常量作为参数去调用编译期函数(sqr3)，都将以失败告终。

第四，constinit 可以确保变量初始化于编译期，这些变量须得处于静态存储区或是线程存储期。静态存储区的变量，指的是全局变量、static 变量或 static 成员变量；线程存储区的变量，指的是以 thread_local 修饰的变量，就是和线程生命期绑定的局部变量。举个例子：

constexpr int val1 = 100;
constinit int val2 = 100;

int main() {

  //std::cout << "++val1 " << ++val1 << '\n'; // error
  std::cout << "++val2 " << ++val2 << '\n';

  constexpr auto val3 = 100;
  //constinit auto val4 = 100; // error
  constinit thread_local auto val5 = 100;
}

如第 10 行所示，不能用 constinit 修饰非静态的局部变量。

以 constexpr 和 constinit 修饰的变量都存在于编译期，不同之处在于，constexpr 带有只读属性，而 constinit 没有。

最后，画张图来总结一下。

这里有两个维度，横向是运行时期，纵向是读写权限。关键字的作用就是来限定变量和函数在这两个维度的表现。由于四个关键字不是同一时间引入的，所以 const 和 constexpr 有交叉部分（图中没体现）。也就是说，const 也可以表现编译期，constexpr 也可以表现运行期。而 C++20 新加的两个关键字，分别用于限定非只读的编译期变量和函数，变量必须存在于静态存储区或线程存储区，函数必须是 immediate function。