如果表达式的求值需要对引用求值，为什么它不是“核心常量表达式”？答案

【问题标题】：Why isn't an expression a "core constant expression" if its evaluation requires the evaluation of a reference?如果表达式的求值需要对引用求值，为什么它不是“核心常量表达式”？
【发布时间】：2021-03-22 03:39:44
【问题描述】：

（这是对this问题的跟进。）

所以我想专门问一个问题，以了解我收到的that answer中引用的标准，而我的确切问题在标题中。

老实说，即使在cppreference 上，我也无法理解为什么标准如此规定的原因。

但是，这是一个最小的例子：

#include <array>
int main() {
    auto arr = std::array<int,3>{{1,2,3}};
    constexpr auto size1 = arr.size(); // OK
    auto const& array = arr;
    constexpr auto size2 = array.size(); // does not compile
}

编译不报错（报错信息与-std=11/14/17/2a相同，因此标签为两个极端）

$ g++ -std=c++17 deleteme.cpp && ./a.out 
deleteme.cpp: In function ‘int main()’:
deleteme.cpp:6:39: error: the value of ‘array’ is not usable in a constant expression
    6 |     constexpr auto size2 = array.size(); // does not compile
      |                                       ^
deleteme.cpp:5:17: note: ‘array’ was not initialized with a constant expression
    5 |     auto const& array = arr;
      |                 ^~~~~

但如果我们删除&，它会编译。

另一方面，如果我只是依靠注释，上面写着‘array’ was not initialized with a constant expression，我会假设以下编译

#include <array>
int main() {
    constexpr auto arr = std::array<int,3>{{1,2,3}};
    constexpr auto size1 = arr.size(); // OK
    constexpr auto& array = arr;
    constexpr auto size2 = array.size(); // does not compile
}

但它没有并且编译器说（消息错误与-std=11/14/17/2a相同）

$ g++ -std=c++17 deleteme.cpp && ./a.out 
deleteme.cpp: In function ‘int main()’:
deleteme.cpp:5:29: error: ‘arr’ is not a constant expression
    5 |     constexpr auto& array = arr;
      |                             ^~~

这基本上意味着arr 不是“常量表达式”，即使它是constexpr，这在我看来至少是一个非常糟糕的措辞。

【问题讨论】：

您能否决定要引用哪个标准文档？我编辑了标签以匹配您报告的测试，但现在您使用 C++11 添加了一个测试
@StoryTeller-UnslanderMonica 描述的行为在所有标准版本 C++11-C++20 中都是相同的。
@ecatmur - 是但不是。在每个已发布的标准中，措辞都越来越精确。对行为的描述几乎不一样。
相关，但不涉及标准行为的动机：stackoverflow.com/questions/51456712/…stackoverflow.com/questions/54124899/…

标签： c++ c++11 c++17 language-lawyer constexpr

【解决方案1】：

我相信这是因为constant-expression rules 允许我们使用地址运算符，正如this answer 中所暗示的那样。例如this is legal:

void f() {
    int i, j;
    constexpr bool b = &i == &j; // OK, b := false since i and j are distinct objects
}

允许在常量表达式中使用引用似乎无害：

void g() {
    int i, j;
    int& r = j;
    constexpr bool b = &i == &r; // OK, surely?
}

但是我们可以使引用的所指对象依赖于非常量变量，然后将该非常量值偷运到常量评估中：

void h(bool a) {
    int i, j;
    int& r = a ? i : j;
    constexpr bool b = &i == &r; // oops, b := a
}

应该可以将the prohibition on evaluating references 放宽到禁止使用（或使用？）引用地址，但肯定需要一些努力来确保新语言具有预期的效果。

附录：论文P2280R1 "Using unknown references in constant expressions" 旨在打击使您的原始示例格式错误的标准语。它（尚未）详细说明将允许什么，但似乎可能不允许形成或比较指向“未知”对象的指针，这些对象是来自 constexpr 上下文之外的引用的引用，因此g()会一直失效，更别提h()了。

【讨论】：

哦，我喜欢例子！但是，我觉得这种观察取决于（可验证的）事实，即 变量地址 是 constexpr-ish（我想有一个合适的词/形容词，但我不知道)，因为它们不能改变；例如，constexpr bool b = &i == &j 工作得很好。同时，constexpr int * b = &i; 无法编译。所以这并不是我想的那样地址是constexpr-ish。
@Enlico 基本上，您可以在常量表达式中使用自动变量的地址，只要这些地址不“转义” - 也就是说，成为eel.is/c++draft/expr.const#11.2 所描述的表达式的结果
也就是说，我可以将int i, j; 移到上述函数之外（进入文件范围）或使它们成为static，它们的地址将是常量表达式的允许结果。
非常感谢。这说明了很多！

【解决方案2】：

在变量声明中使用constexpr说明符要求初始化的完整表达式为常量表达式，其规则如下：

对象声明中使用的 constexpr 说明符将对象声明为 const。这样的对象应具有文字类型并应被初始化。在任何 constexpr 变量声明中，初始化的完整表达式应为常量表达式。

常量表达式要么是泛指值核心常量表达式，它引用作为常量表达式（如下定义）的允许结果的实体，要么是其值满足以下约束的纯右值核心常量表达式。

如果实体是具有静态存储持续时间的对象，该对象要么不是临时对象，要么是其值满足上述约束的临时对象，或者它是常量表达式的允许结果。是一个函数。

核心常量表达式应满足以下规则：

表达式 e 是核心常量表达式，除非根据抽象机的规则对 e 的求值将求值以下表达式之一：

[...]

一个id-expression，它引用一个引用类型的变量或数据成员，除非该引用具有前面的初始化并且

它是用常量表达式或初始化的。

它的生命周期始于对 e 的评估；

在您的示例中，id-expression array 既不会被常量表达式初始化，因为arr 没有静态存储持续时间，它的生命周期也不会在初始化的评估中开始size2 。因此初始化不是一个常量表达式，程序格式错误。

【讨论】：