C++ constexpr說明符詳解

今天，聊聊在升級過程中的一個比較重要的優(yōu)化點-編譯期優(yōu)化。

概述

說明符constexpr是自C++11引入，我相信很多人跟我一樣，在第一次接觸這個的時候，會很容易和const混淆。

從概念上理解的話，constexpr即常量表達(dá)式，重點在表達(dá)式字段，用于指定變量或函數(shù)可以在常量表達(dá)式中使用，可以(或者說一定)在編譯時求值的表達(dá)式，而const則為了約束變量的訪問控制，表示運行時不可以直接被修改，其往往可以在編譯期和運行時進(jìn)行初始化。

前面提到了constexpr是在編譯階段進(jìn)行求值，那么也就是說在程序運行之前，就已經(jīng)計算完成，這種無疑大大提升了程序的運行效率。因此提升運行效率就是C++11引入constexpr說明符的目的，也就是說能在編譯階段做的事情就絕不放在運行期做。

變量

代碼如下：

example1.cc

?

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

?

上述代碼匯編結(jié)果如下：

?

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

?

從上述匯編結(jié)果可以看出，在編譯階段就將val賦值成3，也就是說在編譯階段完成了求值操作。

再看另外一個示例2：

example2.cc

?

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

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

?

同樣的，其匯編如下：

?

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

?

分析上述匯編，發(fā)現(xiàn)并沒有在編譯階段進(jìn)行求值，所以也就是說上述的求值過程將會延后至編譯期進(jìn)行。

好了，既然示例一(使用const)可以在編譯期進(jìn)行求值，而constexpr也可以在編譯期求值，那么直接用constexpr替換示例一種的const是否可行？

example3.cc

?

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

?

接著看下匯編代碼：

?

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

?

呃，與示例一完全一樣。。。

在上面示例2中，通過匯編代碼發(fā)現(xiàn)其是在運行期求值，那么有沒有辦法在編譯期求值呢？那就是使用constexpr表達(dá)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;
}

?

匯編如下：

?

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

?

有沒有發(fā)現(xiàn)很眼熟，對，跟示例1和示例3的結(jié)果一樣，該代碼較示例2的唯一區(qū)別是多了個constexpr說明符，但將求值時期從運行期放到了編譯期，可想而知，效率提升那是杠杠的。。。

函數(shù)

constexpr也可以修飾普通函數(shù)或者成員函數(shù)，其實這塊在上一節(jié)已經(jīng)有提過，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;
}

?

匯編如下：

?

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

?

從上述匯編代碼可以看出，val的求值是在編譯階段，而val2的求值則是在運行階段，這是因為其引入了一個非const變量val1。

通過本示例，可以看出，將函數(shù)聲明為constexpr可以提示效率，讓編譯器來決定是在編譯階段還是運行階段來進(jìn)行求值，當(dāng)然了，如果想了解在編譯階段求值的各種細(xì)節(jié)規(guī)則，請參考constexpr in cppreference。

if語句

如果您目前使用C++11進(jìn)行編碼，那么需要仔細(xì)閱讀本節(jié)，這樣可以為將來的版本升級打好基礎(chǔ)；如果您正在使用C++17進(jìn)行編碼，那么更得閱讀本節(jié)，相信讀完本節(jié)后，會有一個不一樣的認(rèn)識。

自C++17起，引入了if constexpr語句，在本節(jié)中，將借助SFINAE 和 std::enable_if來實現(xiàn)一個簡單的Square功能，最后借助if constexpr對代碼進(jìn)行優(yōu)化(如果對SFINAE 和 std::enable_if不是很了解的，建議自行閱讀哈)。

如果有個需求，實現(xiàn)一個Add函數(shù)，其既支持算術(shù)類型又支持用戶自定義類型：

?

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);?//?調(diào)用int?Add(int);
??auto?res2?=?Square(f);?//?調(diào)用?float?Add(float);
??auto?res3?=?Square(b);??//?call?bool?Square(bool);
??auto?res4?=?Square(n);?//編譯失敗，因為Number<>沒有提供operator*操作
}

?

上述代碼編譯出錯，因為Number<>沒有提供operator*操作，所以這個時候第一個想法是修改Square函數(shù)，如下：

?

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

?

在上述代碼中，如果T是算數(shù)類型，則直接進(jìn)行*操作，否則取其value進(jìn)行*操作。

將上述代碼進(jìn)行編譯，報錯如下：

?

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)為例，這是因為在編譯的時候，會嘗試int.value操作，顯然int.value不存在，這就導(dǎo)致了上述的錯誤輸出，為了更為清楚的顯示本錯誤，將Square()修改如下：

?

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

?

這樣就能很清楚的知道為什么編譯失敗了，因為在代碼中存在t.value * t.value操作，而對于一個int來說并沒有value這個變量，所以編譯失敗。

為了解決這個問題，我們嘗試引入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;
}

?

現(xiàn)在有兩個函數(shù)模板，如果是算術(shù)類型，則調(diào)用第一個，否則調(diào)用第二個，完整代碼如下：

?

#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);?//?調(diào)用int?Add(int);
??auto?res2?=?Square(f);?//?調(diào)用?float?Add(float);
??auto?res3?=?Square(b);??//?call?bool?Square(bool);
??auto?res4?=?Square(n);?//?成功
??
??return?0;
}

?

上述代碼編譯成功。

在上述代碼中，為了編譯成功，我們引入了兩個Square()模板函數(shù)借助std::enable_if來實現(xiàn)，代碼上多少有點冗余，在這個時候，本節(jié)的主角if constexpr 出場，完整代碼如下：

?

#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);?//?調(diào)用int?Add(int);
??auto?res2?=?Square(f);?//?調(diào)用?float?Add(float);
??auto?res3?=?Square(b);??//?call?bool?Square(bool);
??auto?res4?=?Square(n);?//?成功
??
??return?0;
}

?

編譯成功。

我們借助一個Square()函數(shù)模板以及更加符合編碼習(xí)慣的if語句就能解決上面的問題，且比使用std::enable_if方式更為優(yōu)雅和符合閱讀習(xí)慣，進(jìn)而提高代碼的可閱讀性。