C++面试周刊(6):constexpr、内联函数、编译期元编程

各位老师好！

这是CPP面试冲刺周刊 （c++ weekly） 陪你一起快速冲击大厂面试 第7期

周刊目标：

•

不是成为C++专家，而是成为C++面试专家

本期内容：

•

constexpr、内联函数、编译期元编程

常见误区（反常识）：

•

const 修饰变量 分配内存空间吗？什么时候分配，什么时候不分配

一、背景与初衷：为什么 C++11 引入 constexpr

1. 过去的问题：#define、const、inline 的局限

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#define 宏常量：不参与类型检查，调试困难。

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const 变量：虽然安全，但在 C++11 之前，const不保证编译期常量。

•

inline 函数：通过内联展开减少函数调用开销，但依然在 运行期计算。

我们会遇到这种场景：

const int NODE_NUM = 3; //在 C++98 中只是一个 运行期常量，不是 编译期常量。
char buf[NODE_NUM]; // 编译直接报错

因为 NODE_NUM 不是编译期常量，buf 的大小无法在编译期确定，编译错误。

C++11 引入 constexpr，让我们可以在 编译期完成计算，避免运行时开销。

C++11 引入 constexpr 的初衷

C++11 引入了 constexpr，目标是：

•

让 常量表达式在 编译期完成求值；

•

提高 性能，减少运行期不必要的计算；

•

统一常量语义，避免编译器行为不一致。

改写上面的例子：

constexpr int NODE_NUM = 3; char buf[NODE_NUM]; // ✅ 编译期直接展开

编译器会在 编译期直接把 NODE_NUM 计算成 3，

生成的汇编里，buf 是一个 固定大小的栈数组，根本不会在运行期再算一次。

二、技术优势与劣势

3fs:代码

static constexpr size_t kNodeIdKeyedMapExpectedNumElements = 1000;

constexpr int kNumIovecs = 64;

std::array<iovec, kNumIovecs> iovecs;

constexpr uint32_t kInvalidatedFlag = 1u << 0u; // Bit 0

constexpr uint32_t kReadAvailableFlag = 1u << 1u; // Bit 1

constexpr uint32_t kReadNewWakedFlag = 1u << 2u; // Bit 2

constexpr uint32_t kWriteAvailableFlag = 1u << 3u; // Bit 3

constexpr uint32_t kWriteNewWakedFlag = 1u << 4u; // Bit 4

constexpr uint32_t kWriteHasMsgFlag = 1u << 5u; // Bit 5

constexpr uint32_t kWriteNewMsgFlag = 1u << 6u; // Bit 6

constexpr uint32_t kLastReadFinished = 1u << 7u; // Bit 7

constexpr uint32_t kLastWriteFinished = 1u << 8u; // Bit 8

三、适用场景

在分布式存储和数据库的高性能项目中，constexpr 和编译期元编程适用于 大量重复计算 的场景：

1

哈希值计算 Ceph 的 PG 映射里会用到哈希：

constexpr uint32_t hash(const char* s, size_t n) {
    return n ? (hash(s, n-1) * 131 + s[n-1]) : 0;
}
constexpr auto key = hash("pool1", 5);

•

收益：hash 在编译期算完，运行期不消耗 CPU。

2

常量查表 比如 TiDB 的执行计划优化：

constexpr std::array<int, 4> priorities = {1, 2, 4, 8};

•

收益：常量表编译期固化，避免 runtime 初始化。

3

模板 + constexpr 的高性能策略调度

template <typename Strategy>
constexpr auto choose_strategy() {
    if constexpr (std::is_same_v<Strategy, SSD>) return "low-latency";
    else return "high-throughput";
}

•

收益：调度策略完全在 编译期分发，零运行时分支判断。

四、底层原理

constexpr 的本质是 把一部分运行期逻辑前移到编译期，核心是：

1

语法约束 C++11 要求 constexpr 函数必须：

•

单个 return 表达式

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不允许循环和复杂控制流

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不允许动态分配内存 → C++14 以后放宽限制，可以写递归、if-else 等复杂逻辑。

2

编译器行为

•

如果输入是编译期常量 → 在编译期计算结果，直接写死到目标代码。

•

如果输入是运行时值 → 退化为普通函数，在运行期执行。

3

示例：编译器直接展开常量

constexpr int square(int x) { return x * x; }
int a = square(3);

编译器会直接把 a 展开为：

mov eax, 9
mov [a], eax

没有函数调用，也没有乘法指令。

五、与模板元编程结合：C++17/20 的 constexpr 进化

在 C++17 和 C++20，constexpr 与 模板元编程 深度结合，让我们能写出接近函数式语言的代码：

template <typename T>
constexpr size_t type_id() {
    if constexpr (std::is_same_v<T, int>) return 1;
    else if constexpr (std::is_same_v<T, double>) return 2;
    else return 0;
}

•

C++17 的 if constexpr 让模板分支只保留必要的代码，消除了未使用分支的编译错误。

•

C++20 的 consteval 更进一步，强制 编译期求值，让性能更加可控。

六、总结与实践建议

实践建议 • 高频小函数：优先 constexpr • 大型查表、哈希：constexpr + std::array • 策略分发：if constexpr + 模板 • 性能敏感核心逻辑：结合 consteval 强制编译期求值

面试准备心得

曾经有一个让我心跳加速的岗位放在我面前， 我没有珍惜。 等到别人拿到 offer 的那一刻， 我才追悔莫及！

人世间，最痛苦的事情， 不是没钱吃饭， 也不是没房没车， 而是——错过了那个能让我逆天改命的机会！

如果上天再给我一次机会， 我一定会对那个岗位说三个字： “我要你！”

如果非要在这份“心动”上加一个期限， 一万年太久了…… 我只想要——21天！

你可能面临两种选择

① 犹豫不前：准备到天荒地老

“这个岗位太难了，我先准备一下吧。” 于是你准备1天、1周、1个月、1年…… 等再回头，3年就这样过去了。

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每天忙着搬砖，没时间系统复习

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每次想起要准备，又感觉心里没底

•

面试知识点更新太快，拿着旧地图找新机会 最后，错过了一次又一次心动的岗位。

② 盲目回答：机会就在眼前，却抓不住

终于等来一场面试， 你觉得问题很简单，张口就答， 结果用“几千元思维”回答“百万年薪岗位”。

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面试官问到C++底层实现，答不上来

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设计题说到高并发架构，没实战经验

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一紧张，连项目里真实做过的东西都讲不清

一次面试失利，也许就意味着和理想岗位失之交臂。

更残酷的是

在你犹豫的这几年里， 找工作的成本越来越高：

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一个部门、一个领导，可能坚持一年就被解散

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一个项目，可能在10年、20年后， 曾经复杂的业务规则、先进的架构，早已被淘汰

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市场上新的技术和面试要求，每年都在不断升级

等你回过头来，发现不仅机会没了， 连准备的方向都变了。

不是让你成为C++专家， 而是让你成为C++面试专家。

不是让你疯狂学习新知识， 而是帮你重新整理已有知识， 让你的能力与面试题精准对齐。

因为，21天就够了， 足够让我火力全开，

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一边补齐 C++ 知识点，

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一边刷爆经典面试题，

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一边撸穿开源项目，

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让自己变得不可替代！

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开源项目实践 通过真实项目理解底层原理， 不背答案，而是用实践打动面试官。

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场景驱动学习 还原真实面试场景， 帮你学会“怎么说服面试官”。

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三周后，面对面试官，你能自信说出： *“问吧，准备好了。”