C23标准中constexpr支持哪些新类型与操作？有何限制？

C23引入constexpr关键字，用于定义编译时常量，可替代传统枚举或宏来实现类型安全的编译期常量定义，示例如下：

constexpr int x = 10;
constexpr int y = x + 10; // 合法

switch (some_var) {
    case y: // 合法，y是编译时常量
        // ...
}
static int z = y; // 合法

相较于C标准此前仅支持整数常量、全局/static对象地址作为编译时常量，且仅能执行有限算术运算的限制，C23对constexpr的能力做了大幅扩展，具体如下：

支持的新类型与操作 #

新增支持的类型 #

• 浮点类型：float、double、long double均可定义为constexpr对象，编译时即可完成浮点运算，例如：

  constexpr double pi = 3.1415926;
  constexpr double circle_area = pi * 5 * 5; // 编译时计算圆面积
  

• 指针与数组：支持编译时指针算术、空指针比较，以及constexpr数组的元素访问、长度计算；还能在编译时初始化数组，例如：

  constexpr int arr[] = {1,2,3,4};
  constexpr int arr_len = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); // 编译时获取数组长度
  constexpr int* ptr = &arr[2]; // 编译时获取数组元素地址
  

• 结构体/联合体：支持编译时初始化结构体，以及访问其成员（只要成员类型支持constexpr），例如：

  typedef struct {
      int x;
      double y;
  } Point;
  constexpr Point p = {10, 20.5};
  constexpr int px = p.x; // 编译时访问结构体成员
  

新增支持的操作 #

• 编译时浮点算术运算：加减乘除、取模、幂运算等，只要运算结果无未定义行为
• 编译时位运算：移位、与、或、非、异或等操作，扩展到更多支持的类型
• 编译时安全类型转换：整数与浮点数之间的constexpr转换（无溢出等未定义行为时）
• 调用自定义constexpr函数：只要函数内部操作均符合constexpr规则，即可在编译时执行
• 结合if constexpr实现编译时分支逻辑：根据constexpr表达式的结果选择编译代码路径
• 基于sizeof、alignof的复杂编译时计算：可将这些运算符的结果参与更复杂的constexpr表达式

核心限制 #

• 所有constexpr表达式必须是编译时可确定的，不能依赖运行时变量（如用户输入、栈上非static变量）
• 禁止出现未定义行为：比如除以零、数组越界、浮点溢出、访问局部非static对象的地址等
• 指针类型的constexpr操作仅允许使用全局对象、static对象、字符串字面量的地址，不能获取局部非static对象的地址
• 浮点类型的constexpr运算可能存在编译器实现差异：不同编译器的浮点精度处理可能导致结果略有不同
• constexpr函数内不能包含goto、try-catch，也不能调用非constexpr函数
• 联合体的constexpr操作仅能访问当前活跃的成员，否则属于未定义行为

内容的提问来源于stack exchange，提问作者CPlus