CRTP模式下经基类访问派生类constexpr成员变量的报错解析

复现路径 #

实际开发中基于CRTP模式实现基类通用逻辑时，尝试在基类中访问派生类定义的constexpr静态成员变量，写出的原始代码如下：

template <typename Der>
struct Base
{
    constexpr std::size_t getsize()
    {
        constexpr const auto &b = static_cast<Der*>(this)->arr;
        return b.size();
        //return static_cast<Der*>(this)->arr.size(); // 这行写法可正常编译
    }
};

struct Derived : Base<Derived>
{
    static constexpr std::array<int, 10> arr = {};
};

int main(){
    Derived d;    
    return d.getsize();
}

上述代码触发的编译报错信息如下：

<source>:11:31: error: constexpr variable 'b' must be initialized by a constant expression
        constexpr const auto &b = static_cast<Der*>(this)->arr;
                              ^   ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
<source>:24:14: note: in instantiation of member function 'Base<Derived>::getsize' requested here
    return d.getsize();
             ^
<source>:11:53: note: use of 'this' pointer is only allowed within the evaluation of a call to a 'constexpr' member function
        constexpr const auto &b = static_cast<Der*>(this)->arr;
                                                    ^
1 error generated.
Compiler returned: 1

经过测试，只要将getsize函数内对局部变量b声明的constexpr关键字移除，代码即可正常编译运行，修改后的函数逻辑为：

auto &b = static_cast<Der*>(this)->arr;
return b.size();

报错产生的本质原因 #

• C++标准对constexpr修饰的局部变量有强制约束：变量的初始化表达式必须是独立合法的常量表达式，编译器会单独对这个初始化表达式做严格的常量表达式合法性校验，这个校验流程不属于外层constexpr成员函数的求值上下文。
• 常量表达式的合法性规则中，this指针的使用存在严格场景限制：只有当表达式是某个constexpr成员函数的求值组成部分时，this的使用才是合规的。但在单独校验constexpr局部变量的初始化表达式时，这个校验上下文不被认定为constexpr成员函数的求值环节，因此表达式中对this的引用会直接触发合法性错误，和编译器给出的note提示完全对应。
• 本次问题中的arr本身是符合要求的静态constexpr常量，报错根源不在于arr的定义本身，而在于访问arr的路径依赖了this指针，这个依赖在constexpr局部变量的独立校验环节是不被允许的。
• 代码注释中标注的直接返回static_cast<Der*>(this)->arr.size()的写法之所以能正常编译，是因为这段表达式作为整个constexpr成员函数的返回值存在，它的求值全程被纳入外层constexpr成员函数的调用流程，符合this指针的使用场景要求，没有触发独立的常量表达式校验环节，因此不会报错。
• 如果确实需要保留局部变量的constexpr修饰，只需要去掉对this的依赖，直接通过类名访问静态成员即可：写成constexpr const auto &b = Der::arr;，这个访问路径完全不涉及this指针，天然符合常量表达式的要求，不会触发编译错误。

移除constexpr后代码正常运行的底层逻辑 #

• 去掉局部变量b前面的constexpr修饰后，b变为普通的常量引用局部变量，C++对普通局部变量的初始化表达式没有“必须为常量表达式”的强制校验要求，只要表达式语法合法、可正常完成取值流程即可通过编译。
• 代码中通过static_cast<Der*>(this)访问arr的操作，本质是访问类的静态成员：静态成员不依附于类的实例对象存储，完全不依赖this指向的实例内存，哪怕转型后的指针值没有指向合法的Derived实例，只要能拿到静态成员的地址，整个访问流程就是合法的，不会产生未定义行为。
• 这种写法下，代码依然可以在编译期完成求值（因为最终取值来自静态constexpr成员的size值），但因为没有强制要求局部变量本身必须是constexpr属性，也就不会触发之前针对constexpr局部变量初始化表达式的严格校验流程，自然消除了编译错误。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user3882729