4. constexpr函数实现编译期单位换算

为什么单位换算适合放进编译期

长度、时间这类换算的系数是固定的：1 km = 1000 m、1 h = 3600 s。如果换算函数是 constexpr，那么当输入是编译期常量时，结果也在编译期算出，运行时零开销；同时可以用 static_assert 把"1 km 必须等于 1000 m"这类事实写成编译期断言，一旦系数写错，编译直接失败，而不是等到运行期才发现。

关键约束有三点：函数体必须是 C++14 起允许的宽松 constexpr（可含局部变量、分支、循环）；参数与返回类型必须是字面类型；static_assert 的表达式必须能在编译期求值，因此传入的实参本身也得是常量表达式。

实现：长度与时间两组换算

下面给出一个可直接编译的单文件示例。长度以米为基准，时间以秒为基准，每个换算函数都是 constexpr，并用 static_assert 覆盖正向与反向换算。

#include <cassert>
#include <cstdint>

// ---------- 长度：基准单位 = 米 ----------
constexpr double km_to_m(double km)   { return km * 1000.0; }
constexpr double m_to_km(double m)    { return m / 1000.0; }
constexpr double cm_to_m(double cm)   { return cm / 100.0; }
constexpr double inch_to_m(double in) { return in * 0.0254; }

// ---------- 时间：基准单位 = 秒 ----------
constexpr double h_to_s(double h)  { return h * 3600.0; }
constexpr double min_to_s(double m){ return m * 60.0; }
constexpr double s_to_ms(double s){ return s * 1000.0; }

// ---------- 编译期验证 ----------
static_assert(km_to_m(1.0)   == 1000.0, "1 km 应为 1000 m");
static_assert(km_to_m(2.5)   == 2500.0, "2.5 km 应为 2500 m");
static_assert(m_to_km(500.0) == 0.5,    "500 m 应为 0.5 km");
static_assert(cm_to_m(250.0) == 2.5,    "250 cm 应为 2.5 m");
static_assert(inch_to_m(1.0) == 0.0254, "1 inch 应为 0.0254 m");

static_assert(h_to_s(1.0)   == 3600.0, "1 h 应为 3600 s");
static_assert(min_to_s(90.0)== 5400.0, "90 min 应为 5400 s");
static_assert(s_to_ms(1.5)  == 1500.0, "1.5 s 应为 1500 ms");

// 组合换算：km/h -> m/s，同样可在编译期完成
constexpr double kmh_to_ms(double v) { return km_to_m(v) / h_to_s(1.0); }
static_assert(kmh_to_ms(36.0) == 10.0, "36 km/h 应为 10 m/s");

int main() {
    // 运行期同样复用这些函数
    double d_km = 3.2;
    double d_m  = km_to_m(d_km);
    assert(d_m == 3200.0);
    return 0;
}

编译期断言的三个易错点

• 实参不是常量表达式：static_assert(km_to_m(x) == 1000.0) 中若 x 是普通变量，编译报错"不是常量表达式"。断言里必须直接写字面量或 constexpr 变量。
• 浮点相等比较：本例系数都是二进制可精确表示的整数倍（1000、3600、0.5、2.5、0.0254 需注意），0.0254 无法精确表示，但两侧用同一字面量参与运算，结果位模式一致，== 成立。若换成 0.1 这类系数并做多次乘除，应改用容差比较，例如 constexpr bool near(double a, double b) { return (a > b ? a - b : b - a) < 1e-9; }。
• 整数除法截断：若把参数写成 int，cm_to_m(250) 会得到 2 而非 2.5。单位换算统一用 double，或在函数内显式转换。

验证与扩展

编译命令：g++ -std=c++17 -Wall -Wextra -pedantic main.cpp -o units。若所有 static_assert 通过，编译无输出；故意把 km_to_m 的系数改成 100，会立刻看到类似 error: static assertion failed: 1 km 应为 1000 m 的提示，这就是编译期验证的价值。

扩展方向：把基准单位换成强类型（如 struct Meters { double v; };），让 km_to_m 返回 Meters 而非裸 double，可在编译期阻止"米和秒相加"这类量纲错误，与 constexpr 结合后仍保持零运行期开销。