C++如何通过constexpr实现编译期初始化前10000个素数数组

• constexpr函数要求调用时必须能看到完整定义，你之前将is_prime和init_prime的实现放在单独的cpp文件，头文件仅提供声明，编译main.cpp时看不到函数实现，无法完成编译期计算，就会出现链接错误。
• 默认无优化编译时，就算所有代码放在同一个文件，编译器也不会主动执行constexpr函数的编译期求值，必须显式要求常量初始化，同时开启至少O1优化。
• 你原来的素数判断算法效率极低，哪怕是编译期计算，也要花费很长时间，建议优化判断上限到sqrt(i)。

方案1：使用constexpr数组完成编译期初始化（C++17及以上版本支持） #

直接把所有constexpr逻辑放在头文件中，显式要求常量初始化：
首先prime.h代码：

#include <array>

constexpr int prime_size = 10000;

constexpr bool is_prime(int i) {
    if (i <= 1) return false;
    if (i == 2) return true;
    if (i % 2 == 0) return false;
    // 优化判断上限到sqrt(i)，大幅降低计算量
    for (int j = 3; j * j <= i; j += 2) {
        if (i % j == 0) {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

constexpr std::array<int, prime_size> init_prime() {
    std::array<int, prime_size> prime{};
    int prime_counter = 1;
    prime[0] = 2;
    int current = 3;
    while (prime_counter < prime_size) {
        if (is_prime(current)) {
            prime[prime_counter++] = current;
        }
        current += 2;
    }
    return prime;
}

// 显式constexpr声明，强制编译期初始化
constexpr std::array<int, prime_size> prime = init_prime();

主程序代码：

#include <iostream>
#include "prime.h"

int main() {
    // 不需要再调用初始化函数，数组已经在编译期完成填充
    std::cout << prime[8] << std::endl;
    return 0;
}

编译时添加参数-std=c++17 -O1即可，mingw64完全支持该语法。编译阶段会花费少量时间计算素数，编译完成后运行程序无任何初始化耗时，数组直接存储在程序的只读数据段。

方案2：代码生成方案（全版本兼容） #

写一个简单的小程序提前生成所有10000个素数，直接输出成int prime[10000] = {2,3,5,...};的初始化代码，将该初始化语句直接放入头文件即可，不需要任何运行时或编译期计算，兼容性最好。

• 不要把constexpr函数的实现放在单独的cpp文件中，必须和调用点放在同一个翻译单元，或者放在头文件中让调用点可以引入完整实现
• 必须开启至少O1优化，否则gcc默认不会执行编译期的constexpr求值
• 优化素数判断算法可以大幅降低编译期计算的耗时，优化到sqrt(n)判断上限后，计算10000个素数仅需要几毫秒

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user1724871284