C++20及以上：consteval环境中std::vector转std::array的编译问题

需求与问题代码 #

想要利用C++20起支持constexpr成员函数的std::vector，在编译期计算数量静态可知但不直观的值，再将这些值写入std::array带入运行时。尝试的代码如下：

#include <array>
#include <vector>
#include <iostream>

consteval std::vector<int> primes_helper(int n) {
    std::vector<int> v;
    for (int i = 2; i < n; ++i) {
        bool prime = true;
        for (int j = 2; j * j <= i; ++j) {
            prime = prime && (i % j != 0);
            if(!prime) break;
        }
        if(prime) v.push_back(i);
    }
    return v;
}

template <int N>
consteval auto primes() {
    constexpr auto primes = primes_helper(N);
    std::array<int, primes.size()> out;
    for(int i = 0; i < primes.size(); ++i)
        out[i] = primes[i];
    return out;
}

int main() {
    constexpr auto p = primes<1000>();
    std::cout << p.size() << "\n";
    return 0;
}

编译时会报错，提示primes()中的primes未用常量表达式初始化，需要明确错误原因及修复方法。

错误原因 #

核心问题在于：std::vector不是字面类型（literal type），而constexpr变量要求其类型必须是字面类型，同时初始化表达式必须是常量表达式。哪怕primes_helper是consteval函数（确保返回值是编译期常量），也不能用constexpr来声明std::vector类型的变量——因为std::vector内部包含动态分配的内存，不符合字面类型的定义（字面类型要求所有成员都是字面类型，且能在编译期完成构造/销毁）。

修复方案 #

在consteval函数内部，所有变量的求值都强制在编译期完成，不需要给std::vector变量加constexpr修饰。只需要把constexpr auto primes = primes_helper(N);改成auto primes = primes_helper(N);即可：

#include <array>
#include <vector>
#include <iostream>

consteval std::vector<int> primes_helper(int n) {
    std::vector<int> v;
    for (int i = 2; i < n; ++i) {
        bool prime = true;
        for (int j = 2; j * j <= i; ++j) {
            prime = prime && (i % j != 0);
            if(!prime) break;
        }
        if(prime) v.push_back(i);
    }
    return v;
}

template <int N>
consteval auto primes() {
    auto primes = primes_helper(N); // 去掉constexpr修饰
    std::array<int, primes.size()> out;
    for(int i = 0; i < primes.size(); ++i)
        out[i] = primes[i];
    return out;
}

int main() {
    constexpr auto p = primes<1000>();
    std::cout << p.size() << "\n";
    return 0;
}

关于另一个可行版本的说明 #

那个先调用助手函数获取数组大小再生成数组的版本之所以能运行，是因为它把std::vector的使用限制在了模板参数推导的常量表达式上下文里：先通过consteval函数得到大小（此时primes_helper(N).size()是编译期常量，可用于模板参数），之后生成std::array时不再持有std::vector变量，避开了“用constexpr声明非字面类型变量”的问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user2426460