TimothyQiu's Blog

keep it simple stupid

我所知道的 constexpr

分类:技术

在知乎上看到《constexpr 究竟有什么用?》的问题,正巧前段时间趁着了解 constexpr if 的时候刚做过相关资料的搜集,拼凑了一下搞了一个回答。篇幅所限,完整版放在这里,主要是追加一些例子并补完一些周边内容 😄

constexpr 关键词是 C++11 引入的;C++14 中放宽了对 constexpr 函数的语法要求;而 C++17 则复用了该关键字,引入了 constexpr if。

constexpr 主要为 C++03 引入了以下变动:

拓展常量表达式的概念

之所以要拓展常量表达式的概念,是因为 C++03 中的一些尴尬,这从原本的标准库中就能看出来。

比如我们都知道 INT_MAX 是 C 语言的遗产,C++ 则更希望大家使用 std::numeric_limits<int>::max() 来拿 int 型的上限。然而不幸的是,后者是个函数调用而不是整型常量,使用起来可能需要花更多心思在性能或者别的东西上,没有前者那么自由。

int foo[std::numeric_limits<char>::max()];  // error: 不是常量表达式

又比如标准文件流,它的构造函数可以带上这样的第二个参数:

std::fstream foo("foo.txt", std::ios::in | std::ios::out);

这个参数是 openmode 类型的,是由实现具体定义的一种 Bitmask 类型。出于类型安全的考虑,通常用枚举值实现而不是整型。但是这样一来就有个问题,同样是写 std::ios::in | std::ios::out,如果用整型的话可以作为常量表达式使用,而为了类型安全考虑换用枚举实现(尤其是重载 operator|)后,就再也不可能是常量表达式了。

inline openmode
operator|(openmode lhs, openmode rhs)
{
    return openmode(int_type(lhs) | int_type(rhs));
}

明明是这样简单的函数,对它的调用却不是常量表达式,就更别提编译时求值了。这就让委员会陷入了必须在「类型安全」和「效率」里二选一的尴尬境地。

标准库里会遇到这样的问题,大家日常使用也会遇到。加之标准委员会很想借此机会把原本标准中对于「常量表达式」(尤其是整型常量表达式)复杂的定义重构简化,引入 constexpr 来标记一些简单的函数,让对它们的调用能够作为常量表达式存在就很合情合理了。

而 constexpr 成员函数也可以类推,比独立的 constexpr 函数多一些对于类本身的限制便是了。

至于 constexpr 函数「到底应该多简单」,其实并没有必要刻意去记那些限制。如果你标记了 constexpr 的函数不够简单,编译器会提醒你哪里有问题的。

强制要求表达式编译时求值

说到这里,「constexpr 函数」并不能和「编译时求值」划等号,它只表达了「这个函数具备这样的能力」。

如果需要强制要求表达式在编译时求值,那么我们需要在变量定义前添加 constexpr,这样,用来初始化这个变量的表达式就「必须」是常量表达式,否则会报错。

#include <fstream>

// 该函数不是 constexpr 函数
int identity(std::ios::openmode mode)
{
    return mode;
}

constexpr auto out = std::ios::out;  // 此处为 constexpr

int main()
{
    constexpr int modeFail = std::ios::in | identity(out);  // 出错
              int modePass = std::ios::in | identity(out);  // 正常
}

constexpr 函数只有同时满足

  1. 所有参数都是常量表达式
  2. 返回的结果被用于常量表达式(比如用于初始化 constexpr 数据)

才会触发编译时求值。如果只有参数是常量表达式而结果不是,那么是否触发编译时求值取决于具体实现。

constexpr if

C++17 的 constexpr if 严格意义上不是 constexpr 而是 if 的一部分。

constexpr if 的主要用途是简化模板代码(这也意味着除非你是「库作者」或者「模版狂魔」,很少会用到)。很多原本需要绕弯借助类型 Tag 或者 SFINAE 来实现,需要拆成 N 个函数的功能,可以借助 constexpr if 写到一个函数里。

以下面的 get_value 函数为例。这个函数正常情况下会把参数原样返回,但如果传入指针,则返回被指针指向的内容。

如果用简单的类型 Tag 来实现,需要拆成三个模板:

template <typename T>
auto get_value(T t, std::true_type) {
    return *t;
}

template <typename T>
auto get_value(T t, std::false_type) {
    return t;
}

template <typename T>
auto get_value(T t) {
    return get_value(t, std::is_pointer<T>{}); 
}

如果用 SFINAE 来实现,需要拆成两个模板:

template <typename T, std::enable_if_t<std::is_pointer_v<T>, int> = 0>
auto get_value(T t) {
    return *t;
}

template <typename T, typename std::enable_if_t<!std::is_pointer_v<T>, int> = 0>
auto get_value(T t) {
    return t;
}

而如果用 constexpr if 来实现,可以简化为一个:

template <typename T>
auto get_value(T t)
{
    if constexpr (std::is_pointer_v<T>) {
        return *t;
    } else {
        return t;
    }
}

也有人把 constexpr if 拿来代替当作 #if 用,相信你可以想象得出具体的用法。但……我觉得那是邪道,所以不写了 😛

constexprconst

最初接触到 C++11 时,constexprconst 的关系让我很是害怕,因为排列组合似乎很多。不过这回终于下了决心,整理了下,没有初见时想象的那么复杂,总共似乎也有两个情况。

在修饰数据(变量)时,constexpr 是隐含 const 语义的。同时,constexpr 只和变量本身有关,遇到类似 const int *pint *const p 的破事时,建议还是写明:

constexpr int const foo = 42;
constexpr int       foo = 42;    // 和上面等价
constexpr int const *pb = &bar;  // 此处 &bar 必须是常量表达式

在涉及 constexpr 成员函数时,成员函数可能会有 const 修饰的情况。C++11 中,constexpr 成员函数是隐含 const 的;C++14 以来则没有这个限制。这里似乎可以借用 Python 的哲学「Better explicit than implicit」来表达一下,总共就几个字母的事情,就别偷懒了,你没法保证别人和你一样清楚这些「不那么直观」的东西。


以上就是所有内容了,感觉还是有些流水账的样子。

顺便小小吐槽一下「模板」,macOS 自带的拼音输入法只能通过 mú bǎn 打出来,所以我老是打成「版」……

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已有 2 条评论 »

  1. "拓宽「常量表达式」的范围" 那部分顺带介绍一下 literal type? (于是加了一吨内容

    1. 哈哈哈~那就真变成吨的手册了 😂

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