为何显式捕获constexpr变量的Lambda无法通过constexpr函数编译？

我编写了包含两个Lambda表达式的代码，其中一个未显式捕获constexpr变量i（i为constexpr变量，无需显式捕获），另一个显式捕获了i。问题在于：func(lambda)可以正常编译，而func(lambda2)却编译失败，这是为什么？

代码示例 #

template <typename T>
constexpr auto func(T c) {
    constexpr auto k = c; 
    return k;
};


int main() {
    
    constexpr int i = 0;
    
    constexpr auto lambda = []()constexpr { constexpr int j = i; return j; };  //编译通过
    constexpr auto lambda2 = [i]()constexpr { constexpr int j = i; return j; };//编译通过
   
    constexpr auto a = func(lambda); //如预期编译通过

    
    constexpr auto b = func(lambda2); //为何此处编译失败？
    
} 

Clang报错信息 #

error: constexpr variable 'k' must be initialized by a constant expression
    3 |     constexpr auto k = c; 
      |                    ^   ~
/home/insights/insights.cpp:18:24: note: in instantiation of function template specialization 'func<(lambda at /home/insights/insights.cpp:13:30)>' requested here
   18 |     constexpr auto b = func(lambda2); //this doesn't compile why?
      |                        ^
/home/insights/insights.cpp:3:24: note: function parameter 'c' with unknown value cannot be used in a constant expression
    3 |     constexpr auto k = c; 
      |                        ^
/home/insights/insights.cpp:3:24: note: in call to '(lambda at /home/insights/insights.cpp:13:30)(c)'
/home/insights/insights.cpp:2:23: note: declared here
    2 | constexpr auto func(T c) {
      |                       ^

原因解析 #

核心差异来自带捕获和不带捕获的Lambda的本质区别：

• 不带捕获的Lambda（lambda）的闭包类型是无状态的字面类型，甚至可隐式转换为函数指针。当它作为参数传入func时，这个闭包实例在constexpr上下文中属于常量表达式，因此能用来初始化constexpr变量k。
• 带捕获的Lambda（lambda2）的闭包类型包含捕获的成员变量（即i），它的实例是带状态的对象。当这个对象作为函数参数c传入func时，constexpr函数的形参本身不属于常量表达式——即便传入的是constexpr变量，形参在编译期无法被视为确定的常量，因此不能用来初始化constexpr变量k。

解决方法 #

如果要让func(lambda2)编译通过，有两种常见方案：

1. C++20及以上：给函数参数添加constexpr修饰
   显式声明参数是constexpr，让编译器确认它在编译期是常量：

   template <typename T>
   constexpr auto func(constexpr T c) {
       constexpr auto k = c; 
       return k;
   };
   

2. 去掉k的constexpr修饰
   因为func本身是constexpr函数，只要内部操作符合常量表达式要求，返回值依然可以是constexpr：

   template <typename T>
   constexpr auto func(T c) {
       auto k = c; 
       return k;
   };
   

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user20562802