C++ constexpr详解 | 编译期计算与优化

C++ constexpr:编译期计算的艺术 #

引言 #

constexpr是C++11引入的重要特性,它不仅能在编译期进行计算,还能提供比const更强的常量性保证。

前面介绍了模板这种编译期动作,关于编译期动作,有必要介绍下constexpr。

在这之前有必要简单提一下constexpr与const的关系,两者字面上都表达常量的意思。

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主要的区别 是:const修饰的变量可以在运行时才初始化,而constexpr则一定会在编译期初始化。

constexpr才是名符其实的常量,所有的constexpr都是const。

而const表示的是read only的语义,保证修饰的变量运行时不可以更改,如果直接改动它,编译器在编译时会报错。const修饰的变量可以在运行时才初始化,而constexpr则一定会在编译期初始化。

有人可能会用指针等骚操作来修改const修饰的变量值,这种情况下,CPP标准规定产生的是 未定义行为,具体可能不同编译器的具体行为会不相同。所以骚操作魔改const后,无论产生什么行为,都没必要奇怪,也没必要深究。

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下面具体介绍下 constexpr

如上所述,constexpr修饰的才是真正的常量,它会在编译期间计算出来,整个运行过程中都不可被改变。

constexpr还可用于修饰函数,这个函数的返回值会尽可能在编译期间被计算出来,然后作为一个常量,但是如果编译期间不能被计算出,此函数就是被当作一个普通函数处理。

如何使用constexpr?

这里我直接贴出cppreference中的示例代码:

#include <iostream>
#include <stdexcept>

// C++11 constexpr functions use recursion rather than iteration
// (C++14 constexpr functions may use local variables and loops)
constexpr int factorial(int n) { return n <= 1 ? 1 : (n * factorial(n - 1)); }

// literal class
class conststr {
    const char* p;
    std::size_t sz;
public:
    template <std::size_t N>
    constexpr conststr(const char (&a)[N]) : p(a), sz(N - 1) {}
    // constexpr functions signal errors by throwing exceptions
    // in C++11, they must do so from the conditional operator ?:
    constexpr char operator[](std::size_t n) const {
        return n < sz ? p[n] : throw std::out_of_range("");
    }
    constexpr std::size_t size() const { return sz; }
};

// C++11 constexpr functions had to put everything in a single return statement
// (C++14 doesn't have that requirement)
constexpr std::size_t countlower(conststr s, std::size_t n = 0, std::size_t c = 0) {
    return n == s.size() ? c : ('a' <= s[n] && s[n] <= 'z') ? countlower(s, n + 1, c + 1) : countlower(s, n + 1, c);
}

// output function that requires a compile-time constant, for testing
template <int n>
struct constN {
    constN() { std::cout << n << '\n'; }
};

int main() {
    std::cout << "4! = ";
    constN<factorial(4)> out1;  // computed at compile time
    volatile int k = 8; // disallow optimization using volatile
    std::cout << k << "! = " << factorial(k) << '\n';  // computed at run time

    std::cout << "the number of lowercase letters in \"Hello, world!\" is ";
    constN<countlower("Hello, world!")> out2;  // implicitly converted to conststr
}

可以大体观察到constexpr的语法如下:

constexpr literal-type identifier = constant-expression ;
constexpr literal-type identifier { constant-expression } ;
constexpr literal-type identifier ( params ) ;
constexpr ctor ( params ) ;

通过示例代码及相关注释,就可以看到,能在编译期做constexpr就会优先在编译期计算,编译期不行就在运行时计算。

也可以看到,在C++14之前constexpr修饰函数时不能有if-else for循环等语句,而在C++14后,这个问题有了改善。

那什么情况下应该使用constexpr修饰函数?

不在乎编译时间的话,尽可能用constexpr修饰所有的函数,大家有时间可以看看cpp的源码,多数成员函数都是使用的constexpr修饰。

思考题

  • constexpr有一个条件是需要满足literal type,那literal type究竟是什么类型?

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参考资料 #