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

  • #define 宏常量：不参与类型检查，调试困难。

  • 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：

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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

特性 inline const / constexpr 编译期元编程（模板 + constexpr）
目标 减少函数调用开销 固定值、优化常量表达式 利用编译期完成复杂逻辑
性能 消除调用栈，但仍然运行期求值 const 多为运行期，constexpr 编译期计算 完全避免运行期开销
适用场景 高频调用的短函数 常量定义、查表、状态切换 哈希计算、调度策略、数据映射表
缺点 代码膨胀、编译时间增加 constexpr 在 C++11 较受限，C++14 才支持更复杂逻辑 编译时间长、代码可读性差

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：

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    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：

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    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

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    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

    • 不允许循环和复杂控制流

    • 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

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

    编译器会直接把 a 展开为：

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    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：

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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

技术 用途 收益 注意事项
inline 展开函数，消除调用开销 小幅提升性能 代码膨胀
constexpr 编译期计算 避免运行期重复计算，零开销 C++11 受限，C++14+ 更强大
模板 + constexpr 编译期分发策略 极致性能优化 编译时间、可读性

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。

  • 每天忙着搬砖，没时间系统复习
  • 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”。

  • 面试官问到C++底层实现，答不上来
  • 设计题说到高并发架构，没实战经验
  • 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：

  • 一个部门、一个领导，可能坚持一年就被解散
  • 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
  • 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。

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抬头看天：走暗路、耕瘦田、进窄门、见微光

  • 不要给自己这样假设：别人完成就等着自己完成了，大家都在一个集团，一个公司，分工不同，不，这个懒惰表现，这个逃避问题表现。
  • 别人不这么假设，至少本月绩效上不会写成自己的，至少晋升不是你，裁员淘汰就是你。
  • 目标：在跨越最后一道坎，拿百万年薪，进大厂。