C++ constexpr说明符详解

D8more 2023-07-20 304

嵌入式技术

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描述

今天，聊聊在升级过程中的一个比较重要的优化点-编译期优化。

概述

说明符constexpr是自C++11引入，我相信很多人跟我一样，在第一次接触这个的时候，会很容易和const混淆。

从概念上理解的话，constexpr即常量表达式，重点在表达式字段，用于指定变量或函数可以在常量表达式中使用，可以(或者说一定)在编译时求值的表达式，而const则为了约束变量的访问控制，表示运行时不可以直接被修改，其往往可以在编译期和运行时进行初始化。

前面提到了constexpr是在编译阶段进行求值，那么也就是说在程序运行之前，就已经计算完成，这种无疑大大提升了程序的运行效率。因此提升运行效率就是C++11引入constexpr说明符的目的，也就是说能在编译阶段做的事情就绝不放在运行期做。

变量

代码如下：

example1.cc

int main() {
    const int val = 1 + 2;
    return 0;
}

上述代码汇编结果如下：

main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 3
        mov     eax, 0
        pop     rbp
        ret

从上述汇编结果可以看出，在编译阶段就将val赋值成3，也就是说在编译阶段完成了求值操作。

再看另外一个示例2：

example2.cc

int Add(const int a, const int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    const int val = Add(1, 2);
    return 0;
}

同样的，其汇编如下：

Add(int, int):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
        mov     DWORD PTR [rbp-8], esi
        mov     edx, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-8]
        add     eax, edx
        pop     rbp
        ret
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     esi, 2
        mov     edi, 1
        call    Add(int, int)
        mov     DWORD PTR [rbp-4], eax
        mov     eax, 0
        leave
        ret

分析上述汇编，发现并没有在编译阶段进行求值，所以也就是说上述的求值过程将会延后至编译期进行。

好了，既然示例一(使用const)可以在编译期进行求值，而constexpr也可以在编译期求值，那么直接用constexpr替换示例一种的const是否可行？

example3.cc

int main() {
    constexpr int val = 1 + 2;
    return 0;
}

接着看下汇编代码：

main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 3
        mov     eax, 0
        pop     rbp
        ret

呃，与示例一完全一样。。。

在上面示例2中，通过汇编代码发现其是在运行期求值，那么有没有办法在编译期求值呢？那就是使用constexpr表达式：

example4.cc

constexpr int Add(const int a, const int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    const int val = Add(1, 2);
    return 0;
}

汇编如下：

main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 3
        mov     eax, 0
        pop     rbp
        ret

有没有发现很眼熟，对，跟示例1和示例3的结果一样，该代码较示例2的唯一区别是多了个constexpr说明符，但将求值时期从运行期放到了编译期，可想而知，效率提升那是杠杠的。。。

函数

constexpr也可以修饰普通函数或者成员函数，其实这块在上一节已经有提过，示例如下：

constexpr int Add(const int a, const int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    const int val = Add(1, 2);
    int val1 = 3;
    int val2 = Add(val, val1);
    return 0;
}

汇编如下：

Add(int, int):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
        mov     DWORD PTR [rbp-8], esi
        mov     edx, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-8]
        add     eax, edx
        pop     rbp
        ret
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 3
        mov     DWORD PTR [rbp-8], 3
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-8]
        mov     esi, eax
        mov     edi, 3
        call    Add(int, int)
        mov     DWORD PTR [rbp-12], eax
        mov     eax, 0
        leave
        ret

从上述汇编代码可以看出，val的求值是在编译阶段，而val2的求值则是在运行阶段，这是因为其引入了一个非const变量val1。

通过本示例，可以看出，将函数声明为constexpr可以提示效率，让编译器来决定是在编译阶段还是运行阶段来进行求值，当然了，如果想了解在编译阶段求值的各种细节规则，请参考constexpr in cppreference。

if语句

如果您目前使用C++11进行编码，那么需要仔细阅读本节，这样可以为将来的版本升级打好基础；如果您正在使用C++17进行编码，那么更得阅读本节，相信读完本节后，会有一个不一样的认识。

自C++17起，引入了if constexpr语句，在本节中，将借助SFINAE 和 std::enable_if来实现一个简单的Square功能，最后借助if constexpr对代码进行优化(如果对SFINAE 和 std::enable_if不是很了解的，建议自行阅读哈)。

如果有个需求，实现一个Add函数，其既支持算术类型又支持用户自定义类型：

template 
struct Number {
    Number(const T& _val) :
        value(_val) {}

    T value;
};

template
T Square(const T& t) {
    return t + t;
}

int main() {
  int i = 5;
  float f = 5.0;
  bool b = true;
  Number n(5);

  auto res = Square(i); // 调用int Add(int);
  auto res2 = Square(f); // 调用 float Add(float);
  auto res3 = Square(b);  // call bool Square(bool);
  auto res4 = Square(n); //编译失败，因为Number<>没有提供operator*操作
}

上述代码编译出错，因为Number<>没有提供operator*操作，所以这个时候第一个想法是修改Square函数，如下：

template
T Square(const T& t) {
    if (std::is_arithmetic::value) {
        return t * t;
    } else {
        return t.value * t.value;
    }
}

在上述代码中，如果T是算数类型，则直接进行*操作，否则取其value进行*操作。

将上述代码进行编译，报错如下：

example5.cc: In instantiation of ‘T Square(const T&) [with T = int]’:
example5.cc:26:20:   required from here
example5.cc:16:18: error: request for member ‘value’ in ‘t’, which is of non-class type ‘const int’
   16 |         return t.value * t.value;
      |                ~~^~~~~
example5.cc:16:28: error: request for member ‘value’ in ‘t’, which is of non-class type ‘const int’
   16 |         return t.value * t.value;
      |                          ~~^~~~~
....

以Square(i)为例，这是因为在编译的时候，会尝试int.value操作，显然int.value不存在，这就导致了上述的错误输出，为了更为清楚的显示本错误，将Square()修改如下：

int Square(const int& t) {
    if (true) {
        return t * t;
    } else {
        return t.value * t.value;
    }
}

这样就能很清楚的知道为什么编译失败了，因为在代码中存在t.value * t.value操作，而对于一个int来说并没有value这个变量，所以编译失败。

为了解决这个问题，我们尝试引入std::enable_if操作，如下：

template
typename std::enable_if::value, T>::type Square(const T& t) {
    return t * t;
}

template
typename std::enable_if::value, T>::type Square(const T& t) {
    return t.value * t.value;
}

现在有两个函数模板，如果是算术类型，则调用第一个，否则调用第二个，完整代码如下：

#include 

template
typename std::enable_if::value, T>::type Square(const T& t) {
    return t * t;
}

template
typename std::enable_if::value, T>::type Square(const T& t) {
    return t.value * t.value;
}

template 
struct Number {
    Number(const T& _val) :
        value(_val) {}

    T value;
};

int main() {
  int i = 5;
  float f = 5.0;
  bool b = true;
  Number n(5);

  auto res = Square(i); // 调用int Add(int);
  auto res2 = Square(f); // 调用 float Add(float);
  auto res3 = Square(b);  // call bool Square(bool);
  auto res4 = Square(n); // 成功
  
  return 0;
}

上述代码编译成功。

在上述代码中，为了编译成功，我们引入了两个Square()模板函数借助std::enable_if来实现，代码上多少有点冗余，在这个时候，本节的主角if constexpr 出场，完整代码如下：

#include 
template
T Square(const T& t) {
    if constexpr (std::is_arithmetic::value) {
        return t * t;
    } else {
        return t.value * t.value;
    }
}

template 
struct Number {
    Number(const T& _val) :
        value(_val) {}

    T value;
};

int main() {
  int i = 5;
  float f = 5.0;
  bool b = true;
  Number n(5);

  auto res = Square(i); // 调用int Add(int);
  auto res2 = Square(f); // 调用 float Add(float);
  auto res3 = Square(b);  // call bool Square(bool);
  auto res4 = Square(n); // 成功
  
  return 0;
}

编译成功。

我们借助一个Square()函数模板以及更加符合编码习惯的if语句就能解决上面的问题，且比使用std::enable_if方式更为优雅和符合阅读习惯，进而提高代码的可阅读性。

　　审核编辑：汤梓红

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