Что такое constexpr и consteval и чем они отличаются?

Практический пример

#include <array>
#include <cstdint>
#include <iostream>

// constexpr: компилируется и как CT, и как RT функция
constexpr uint64_t factorial(uint64_t n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

// consteval: ТОЛЬКО compile-time
consteval uint64_t factorial_ct(uint64_t n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial_ct(n - 1);
}

// Таблица, гарантированно вычисленная на этапе компиляции
consteval auto make_factorial_table() {
    std::array<uint64_t, 13> table{};
    uint64_t v = 1;
    for (int i = 0; i < 13; ++i) {
        if (i > 0) v *= i;
        table[i] = v;
    }
    return table;
}

constexpr auto FACTORIAL_TABLE = make_factorial_table();

int main() {
    // constexpr в compile-time контексте
    constexpr uint64_t ct = factorial(10);      // CT: 3628800
    static_assert(ct == 3628800);

    // constexpr в runtime контексте
    uint64_t n;
    std::cin >> n;
    uint64_t rt = factorial(n);                 // RT: обычный вызов
    std::cout << rt << '\n';

    // consteval — всегда CT
    constexpr uint64_t ce = factorial_ct(10);   // OK
    // uint64_t bad = factorial_ct(n);          // ОШИБКА: n — не CT

    // Таблица из бинарника, поиск за O(1)
    std::cout << FACTORIAL_TABLE[7] << '\n';   // 5040

    // consteval как охрана: компилятор проверяет диапазон
    // Можно обернуть в шаблонную функцию-валидатор
    auto safe_lookup = [<&>](uint64_t i) -> uint64_t {
        // i — runtime, поэтому factorial_ct(i) не скомпилируется
        return FACTORIAL_TABLE[i];  // но доступ к таблице — OK
    };
    std::cout << safe_lookup(5) << '\n';        // 120
}

Ключевое различие

constexpr — разрешение: функция может выполниться в compile-time, если аргументы константны. При runtime-аргументах она выполнится в runtime как обычная функция.

consteval (C++20) — требование: функция обязана выполниться в compile-time. Любая попытка вызвать её с runtime-аргументом — ошибка компиляции. Такие функции называются immediate functions.

Когда что выбирать

constexpr — когда функция нужна и в CT, и в RT (математика, парсинг, конструкторы типов).

consteval — когда RT-вычисление семантически неверно: генерация кода, хэши, magic numbers, таблицы lookup, DSL-валидаторы. Immediate function гарантирует, что результат встроен в бинарник и не может «ускользнуть» в runtime с неожиданным значением.

constinit (тоже C++20, часто путают) — гарантирует, что глобальная переменная инициализируется в compile-time, но не делает саму переменную константой.

Подводные камни

• constexpr не гарантирует CT-вычисление. Если контекст не требует константного выражения, компилятор вправе отложить вычисление в runtime. Для гарантии — consteval или static_assert.
• consteval нельзя взять по указателю. Immediate function не имеет runtime-адреса; попытка сохранить её в function pointer — ошибка компиляции. Это ограничивает применение в callback-архитектурах.
• Локальные переменные в constexpr/consteval не могут иметь статическое хранилище. static и thread_local внутри constexpr-функции запрещены стандартом.
• Исключения в CT-контексте = ошибка компиляции. Выброс исключения внутри consteval-вызова не перехватывается catch — это немедленная ошибка компилятора, что удобно для валидации, но может удивить.
• UB в constexpr-функции. В runtime UB остаётся UB. В CT-контексте компилятор обязан диагностировать UB (переполнение знаковых целых, выход за границу массива) и выдать ошибку — поведение разное для одного и того же кода.
• Рост времени компиляции. Сложные consteval-функции (рекурсивные таблицы, парсеры) существенно замедляют компиляцию. Стоит профилировать с -ftime-report (GCC) или -ftime-trace (Clang).
• Отладка CT-кода затруднена. GDB и LLDB не отлаживают compile-time выполнение. Единственный инструмент — static_assert и намеренное провоцирование ошибок для просмотра промежуточных значений.
• consteval и шаблоны взаимодействуют неочевидно. Шаблонный аргумент является константным выражением, но параметр шаблона — не всегда consteval-совместим без явного consteval-обёртки.

• Объяснять constexpr и consteval только по синтаксису, без жизненного цикла и стоимости.
• Игнорировать ошибки, null/empty состояния, порядок инициализации или режим сборки.
• Давать пример, который работает в демо, но ломается при изменении владельца ресурса.
• Показывать сырой указатель без объяснения владельца и момента освобождения.

• Кандидат формулирует точную модель для constexpr и consteval, а не только определение.
• Пример компилируем, безопасен по lifetime и соответствует версии технологии.
• Названы trade-off, ограничения и диагностируемые симптомы ошибки.