Ответ

История вопроса

C++ изначально поддерживал только макросы (#define) и константы (const). Однако для целей определения значений во время компиляции этого было недостаточно. В C++11 введено ключевое слово constexpr, позволяющее вычислять значения ещё на этапе компиляции, а не только во время выполнения программы.

Проблема

До появления constexpr многие задачи приходилось решать либо при помощи макросов (грубый текстовый подстановщик без типобезопасности), либо с помощью const, который не всегда гарантировал выполнение выражения на этапе компиляции. Это затрудняло оптимизацию программы и привело к менее предсказуемому поведению.

Решение

constexpr гарантирует компилятору, что объявленное выражение обязательно будет вычислено при компиляции, если это возможно. Это используется для объявления функций, переменных и даже конструкторов и методов классов, которые безопасно и эффективно вычисляются при компиляции.

Пример кода:

constexpr int Square(int x) {
    return x * x;
}
constexpr int size = Square(5); // size вычисляется на этапе компиляции
const int arr[size] = {}; // можно использовать в качестве размера массива

Ключевые особенности:

Обеспечивает вычисление на этапе компиляции (если возможно).
Позволяет объявлять не только переменные, но и функции, методы, конструкторы.
Улучшает производительность благодаря ранним вычислениям и типовой безопасности.

Вопросы с подвохом.

Можно ли использовать любую функцию в качестве constexpr?

Нет. Функция должна соответствовать ряду ограничений: быть достаточно простой, содержать одну return-строку (до C++14) или только константно-вычисляемый код (с C++14 и выше).

constexpr int f(int x) { 
    return x + 2; 
} // ok

constexpr int g(int x) {  
    int y = x + 2; 
    return y;
} // до C++14: не компилируется! после — можно

Могут ли все constexpr переменные вычисляться во время компиляции?

Нет. Если при инициализации используется не-константное значение или выражение не удаётся вычислить при компиляции, будет ошибка.

int val;
// constexpr int x = f(val); // Ошибка: val не инициализирован!

В чём разница между constexpr и const?

const гарантирует только невозможность изменения, но не гарантирует вычисление при компиляции. constexpr требует вычислить значение во время компиляции (если возможно).

const int x = time(nullptr); // ок, но вычисляется во время выполнения
constexpr int y = 42;        // ок, вычисляется во время компиляции

Типовые ошибки и анти-паттерны

Путаница между const и constexpr
Попытка использовать сложные логические конструкции в constexpr функции до C++14
Некорректное использование неконстантных переменных в constexpr контексте

Пример из жизни

Негативный кейс

Разработчик использует #define PI 3.14 для всех вычислений площади круга.

Плюсы:

Просто написать

Минусы:

Нет типобезопасности, возможна ошибка подстановки
Нельзя использовать как constexpr в шаблонах или параметрах массива

Позитивный кейс

Разработчик использует constexpr double PI = 3.141592653589793; и шаблонные constexpr-функции для вычислений.