[C++] constとconstexprの違いと使い分けるポイントを解説

Q: constとconstexprを間違えて使うとどうなる？

constとconstexprを間違えて使うと、意図しない動作やパフォーマンスの低下を引き起こす可能性があります。 例えば、constを使用して実行時に評価される変数を定義した場合、コンパイル時に計算されることを期待していた処理が実行時に行われるため、パフォーマンスが低下します。 また、constexprを使用すべき場面でconstを使うと、コンパイル時の最適化が行われず、無駄な計算が実行時に発生することになります。 これにより、コードの効率が悪化し、バグの原因にもなり得ます。

Q: constexpr関数は必ずコンパイル時に評価されるのか？

constexpr関数は、コンパイル時に評価されることが期待されますが、必ずしもそうなるわけではありません。 constexpr関数は、実行時に呼び出された場合には実行時に評価されます。 つまり、constexpr関数をコンパイル時に評価するためには、引数がコンパイル時定数である必要があります。 もし引数が実行時に決定される値であれば、関数は実行時に評価されることになります。 したがって、constexpr関数を使用する際は、引数の性質に注意が必要です。

Q: constとconstexprはどちらがパフォーマンスに優れている？

一般的に、constexprはコンパイル時に評価されるため、実行時のオーバーヘッドがなく、パフォーマンスに優れています。 一方、constは実行時に評価されるため、特に大規模な計算やループ内での使用時にはパフォーマンスに影響を与える可能性があります。 ただし、constは実行時に必要な値を保持するために使用されることが多く、状況によってはconstが適切な選択となる場合もあります。 最終的には、使用する場面や目的に応じて、どちらを選択するかを判断することが重要です。

constは、変数やオブジェクトが定数であることを示し、コンパイル時にその値が決まっていなくても問題ありません。

関数内のローカルconstのように、実行時に値が決まる場合もあります

一方、constexprは、コンパイル時に値が確定することを保証しています。つまり、constexprはコンパイル時定数として扱われ、プログラムの実行時から一切替わることのない定数となります。

使い分けのポイントとして、コンパイル時に値が確定する必要がある場合はconstexprを使用し、実行時に値が決まる可能性がある場合はconstを使用するのが一般的です。

この記事でわかること

constとconstexprの基本的な違い
constの詳細な使い方とメリット
constexprの詳細な使い方とメリット
constとconstexprの使い分けのポイント
実践的な応用例と最適化手法

目次から探す

constとconstexprの基本的な違い

constとは何か

constは、変数の値を変更できないことを示す修飾子です。

constを使うことで、意図しない変更を防ぎ、コードの安全性を高めることができます。

constで修飾された変数は、初期化後にその値を変更することができません。

以下は、constの使用例です。

#include <iostream>
int main() {
    const int number = 10; // numberは変更できない
    // number = 20; // エラー：const変数は変更できません
    std::cout << "number: " << number << std::endl;
    return 0;
}

number: 10

constexprとは何か

constexprは、コンパイル時に評価されることを保証する修飾子です。

constexprを使うことで、関数や変数がコンパイル時に計算され、実行時のパフォーマンスを向上させることができます。

以下は、constexprの使用例です。

#include <iostream>
constexpr int square(int x) { // コンパイル時に評価される関数
    return x * x;
}
int main() {
    constexpr int value = square(5); // valueはコンパイル時に計算される
    std::cout << "value: " << value << std::endl;
    return 0;
}

value: 25

constとconstexprの共通点

どちらも変数や関数の修飾子として使用される。
どちらも意図しない変更を防ぐために使われる。
コードの可読性や保守性を向上させる役割を持つ。

constとconstexprの違い

スクロールできます

特徴	const	constexpr
評価時期	実行時	コンパイル時
変更の可否	値を変更できない	値を変更できない
使用できる場所	変数、ポインタ、参照、メンバ関数など	変数、関数、テンプレート引数など
パフォーマンス	実行時に評価されるため、オーバーヘッドがある	コンパイル時に評価されるため、高速

このように、constとconstexprは似たような目的を持ちながらも、使用する場面や評価されるタイミングが異なります。

constの詳細と使い方

const変数の定義方法

const変数は、通常の変数と同様に定義しますが、変数の前にconstを付けることで、その値を変更できないことを示します。

以下は、const変数の定義方法の例です。

#include <iostream>
int main() {
    const int maxValue = 100; // maxValueは変更できない
    // maxValue = 200; // エラー：const変数は変更できません
    std::cout << "maxValue: " << maxValue << std::endl;
    return 0;
}

maxValue: 100

constメンバ関数とは

constメンバ関数は、クラスのメンバ関数の定義において、オブジェクトの状態を変更しないことを示します。

constを付けることで、その関数内でメンバ変数を変更することができなくなります。

以下は、constメンバ関数の例です。

#include <iostream>
class MyClass {
public:
    MyClass(int value) : value(value) {}
    // constメンバ関数
    int getValue() const { 
        return value; // valueを変更しない
    }
private:
    int value;
};
int main() {
    MyClass obj(42);
    std::cout << "Value: " << obj.getValue() << std::endl;
    return 0;
}

Value: 42

constポインタとポインタのconst

constはポインタにも適用できます。

ポインタ自体がconstである場合と、ポインタが指す先のデータがconstである場合があります。

以下は、両方の例です。

#include <iostream>
int main() {
    int value = 10;
    const int* ptr1 = &value; // ptr1が指す先のデータは変更できない
    // *ptr1 = 20; // エラー：constポインタが指す先のデータは変更できません
    int* const ptr2 = &value; // ptr2自体は変更できない
    *ptr2 = 20; // ptr2が指す先のデータは変更できる
    std::cout << "value: " << value << std::endl;
    return 0;
}

value: 20

const参照の使い方

const参照は、オブジェクトを変更せずに参照するために使用されます。

これにより、コピーのオーバーヘッドを避けつつ、データの不変性を保つことができます。

以下は、const参照の使用例です。

#include <iostream>
void printValue(const int& value) { // const参照を使用
    std::cout << "Value: " << value << std::endl;
}
int main() {
    int number = 30;
    printValue(number); // numberは変更されない
    return 0;
}

Value: 30

constのメリットとデメリット

スクロールできます

メリット	デメリット
意図しない変更を防ぎ、コードの安全性を向上	柔軟性が制限される場合がある
コードの可読性が向上	初期化時に値を決定する必要がある
コンパイラによる最適化が可能	`const変数`の使用が多すぎると可読性が低下

constを適切に使用することで、プログラムの安全性や可読性を高めることができますが、柔軟性が制限されることもあるため、注意が必要です。

constexprの詳細と使い方

constexpr変数の定義方法

constexpr変数は、コンパイル時に評価されることを保証するために使用されます。

constexprを使うことで、定数を明示的に指定し、パフォーマンスを向上させることができます。

以下は、constexpr変数の定義方法の例です。

#include <iostream>
int main() {
    constexpr int maxSize = 100; // maxSizeはコンパイル時に評価される
    // maxSize = 200; // エラー：constexpr変数は変更できません
    std::cout << "maxSize: " << maxSize << std::endl;
    return 0;
}

maxSize: 100

constexpr関数とは

constexpr関数は、コンパイル時に評価されることができる関数です。

これにより、関数の結果をコンパイル時に計算し、実行時のオーバーヘッドを削減することができます。

以下は、constexpr関数の例です。

#include <iostream>
constexpr int factorial(int n) { // コンパイル時に評価される関数
    return (n <= 1) ? 1 : n * factorial(n - 1);
}
int main() {
    constexpr int result = factorial(5); // resultはコンパイル時に計算される
    std::cout << "Factorial of 5: " << result << std::endl;
    return 0;
}

Factorial of 5: 120

constexprとコンパイル時定数

constexprは、コンパイル時定数を作成するための手段です。

constexprで定義された変数や関数は、コンパイル時に評価されるため、実行時のパフォーマンスが向上します。

以下は、constexprを使用したコンパイル時定数の例です。

#include <iostream>
constexpr int getValue() {
    return 42; // コンパイル時に評価される
}
int main() {
    constexpr int value = getValue(); // valueはコンパイル時に計算される
    std::cout << "Value: " << value << std::endl;
    return 0;
}

Value: 42

constexprとテンプレートの関係

constexprは、テンプレートと組み合わせて使用することができます。

これにより、コンパイル時に計算された値をテンプレート引数として使用することが可能になります。

以下は、constexprとテンプレートの関係を示す例です。

#include <iostream>
template<int N>
constexpr int square() {
    return N * N; // コンパイル時に評価される
}
int main() {
    constexpr int result = square<5>(); // resultはコンパイル時に計算される
    std::cout << "Square of 5: " << result << std::endl;
    return 0;
}

Square of 5: 25

constexprのメリットとデメリット

スクロールできます

メリット	デメリット
コンパイル時に評価されるため、実行時のパフォーマンスが向上	複雑な処理を行う場合、コンパイル時に評価できないことがある
定数を明示的に指定できる	コンパイル時に評価できる条件が制限される
テンプレートと組み合わせて使用できる	コードが複雑になる可能性がある

constexprを適切に使用することで、プログラムのパフォーマンスを向上させることができますが、使用する際にはその制限や複雑さに注意が必要です。

constとconstexprの使い分け

どちらを使うべきかの判断基準

constとconstexprの使い分けは、主に以下の基準に基づいて判断します。

値の変更の必要性: 値が変更される可能性がある場合はconstを使用し、変更されないことが保証される場合はconstexprを使用します。
評価時期: コンパイル時に評価される必要がある場合はconstexprを選択し、実行時に評価される場合はconstを選択します。
使用する場面: 定数の使用が多い場合や、テンプレートと組み合わせる場合はconstexprが適しています。

実行時定数とコンパイル時定数の違い

スクロールできます

特徴	実行時定数 (const)	コンパイル時定数 (constexpr)
評価時期	プログラムの実行時	プログラムのコンパイル時
変更の可否	値を変更できないが、実行時に決定される	値を変更できず、コンパイル時に決定される
使用できる場所	変数、ポインタ、参照、メンバ関数など	変数、関数、テンプレート引数など
パフォーマンス	実行時に評価されるため、オーバーヘッドがある	コンパイル時に評価されるため、高速

パフォーマンスへの影響

constexprを使用することで、コンパイル時に計算されるため、実行時のオーバーヘッドが削減され、プログラムのパフォーマンスが向上します。

一方、constは実行時に評価されるため、特に大規模な計算やループ内での使用時にはパフォーマンスに影響を与える可能性があります。

したがって、パフォーマンスが重要な場合はconstexprを優先することが推奨されます。

constexprを使うべき場面

コンパイル時に計算が可能な場合: 定数や関数の結果がコンパイル時に決定できる場合。
テンプレート引数として使用する場合: テンプレートでコンパイル時定数を必要とする場合。
パフォーマンスが重要な場合: 実行時のオーバーヘッドを削減したい場合。

constを使うべき場面

実行時に決定される値が必要な場合: 値が実行時に決まるが、変更を防ぎたい場合。
ポインタや参照の不変性を保ちたい場合: ポインタや参照が指す先のデータを変更できないようにしたい場合。
クラスのメンバ関数でオブジェクトの状態を変更しないことを示す場合: constメンバ関数を使用して、オブジェクトの不変性を保証する場合。

このように、constとconstexprはそれぞれ異なる目的と使用場面があり、適切に使い分けることで、コードの安全性やパフォーマンスを向上させることができます。

応用例：constとconstexprの実践的な使い方

constexprを使ったコンパイル時計算

constexprを使用することで、コンパイル時に計算を行い、実行時のオーバーヘッドを削減することができます。

以下は、constexprを使ったコンパイル時計算の例です。

#include <iostream>
constexpr int fibonacci(int n) { // フィボナッチ数列を計算するconstexpr関数
    return (n <= 1) ? n : fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}
int main() {
    constexpr int result = fibonacci(10); // コンパイル時に計算される
    std::cout << "Fibonacci of 10: " << result << std::endl;
    return 0;
}

Fibonacci of 10: 55

constを使った安全なコード設計

constを使用することで、意図しない変更を防ぎ、安全なコード設計を実現できます。

以下は、constを使った安全なコード設計の例です。

#include <iostream>
void printArray(const int* arr, const int size) { // constポインタを使用
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        std::cout << arr[i] << " "; // 配列の内容を変更しない
    }
    std::cout << std::endl;
}
int main() {
    int numbers[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    printArray(numbers, 5); // 配列を安全に渡す
    return 0;
}

1 2 3 4 5

constexprとテンプレートメタプログラミング

constexprはテンプレートメタプログラミングと組み合わせて使用することができます。

これにより、コンパイル時に計算された値をテンプレート引数として使用することが可能です。

以下は、その例です。

#include <iostream>
template<int N>
constexpr int factorial() { // テンプレートメタプログラミングでのconstexpr関数
    return N <= 1 ? 1 : N * factorial<N - 1>();
}
int main() {
    constexpr int result = factorial<5>(); // コンパイル時に計算される
    std::cout << "Factorial of 5: " << result << std::endl;
    return 0;
}

Factorial of 5: 120

constとconstexprを組み合わせた最適化

constとconstexprを組み合わせることで、コードの最適化を図ることができます。

constで不変のデータを保持し、constexprで計算を行うことで、パフォーマンスを向上させることができます。

以下は、その例です。

#include <iostream>
const int baseValue = 10; // constで不変のデータを保持
constexpr int multiplyByBase(int x) { // constexpr関数で計算
    return x * baseValue; // baseValueはconstで変更できない
}
int main() {
    constexpr int result = multiplyByBase(5); // コンパイル時に計算される
    std::cout << "5 multiplied by baseValue: " << result << std::endl;
    return 0;
}