C++17及以前virtual与constexpr混合使用的编译器行为疑问

一、virtual与constexpr混用的标准规定 #

在C17及更早的标准中，明确禁止constexpr成员函数同时被声明为virtual。这是因为constexpr要求函数能够在编译期完成求值，而virtual函数依赖运行期的动态分派（通过虚表查找确定调用的函数版本），二者的设计目标存在本质冲突——编译期无法确定动态分派的目标函数，自然无法满足constexpr的编译期求值要求。C20才正式引入了对constexpr virtual函数的支持，允许在特定条件下结合二者。

二、各编译器行为的原因解析 #

1. Clang的行为符合标准 #

Clang严格遵循C++17标准的规定，对constexpr与virtual混用的代码直接报错，这是完全符合标准要求的正确行为。

2. GCC接受代码属于非标准扩展 #

GCC允许这种写法是其提供的非标准扩展特性，并非标准要求的行为，也不属于编译器bug。GCC在部分场景下会放宽标准限制以提供更灵活的编程体验，但这种写法不具备跨编译器的可移植性。

3. MSVC的报错原因 #

MSVC的报错提示“无法生成常量表达式”，本质是因为：即使StatSizedObject::GetSize被标记为constexpr，当通过SizedObject基类指针调用时，该调用是动态分派的——编译器无法在编译期确定指针指向的是StatSizedObject还是DynSizedObject实例，也就无法确保该调用能生成编译期常量表达式，因此触发报错。

三、C++17中动态多态结合编译时优化的可行方案 #

C17没有像C20那样原生支持constexpr virtual，但可以通过以下技巧实现动态多态场景下的编译期优化：

• CRTP静态多态：利用奇异递归模板模式（CRTP）将动态分派转化为编译期的静态分派，结合constexpr实现编译期求值。这种方式通过模板继承在编译期确定调用的函数版本，避免运行期虚表查找。
• std::variant + std::visit：用std::variant存储不同的派生类实例，配合std::visit在编译期确定类型并调用对应函数。C++17中std::variant和std::visit已部分支持constexpr，可以在编译期完成类型匹配与函数调用。
• 编译器去虚拟化优化：在某些场景下（比如编译器能确定指针指向的具体类型），编译器会自动对虚函数调用进行去虚拟化优化，将其转化为直接函数调用，从而实现编译期优化。但这依赖编译器的优化能力（如开启-O2及以上优化级别），并非标准保证的行为。

示例代码 #

#include <cstddef>

struct SizedObject {
    virtual size_t GetSize() const = 0;
};

struct DynSizedObject : public SizedObject {
    size_t s;
    size_t GetSize() const override final { return s; }
};

struct StatSizedObject : public SizedObject {
    const size_t s;
    constexpr size_t GetSize() const override final { return s; }
    constexpr explicit StatSizedObject(const size_t i) : s(i) {}
};

int main(int argc, char** argv) {
    constexpr StatSizedObject SS(42);
    DynSizedObject DS;
    DS.s = argc + 2;
    SizedObject const * p;
    if (argc > 3) {
        p = &SS;
    } else {
        p = &DS;
    }

    return p->GetSize();
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Oersted