Когда следует использовать возможность constexpr в C ++ 11?

Мне кажется, что наличие «функции, которая всегда возвращает 5» нарушает или ослабляет значение «вызова функции». Должна быть причина, или необходимость в этой возможности, иначе ее не будет в C ++ 11. Почему это там?

// preprocessor.
#define MEANING_OF_LIFE 42

// constants:
const int MeaningOfLife = 42;

// constexpr-function:
constexpr int MeaningOfLife () { return 42; }

Мне кажется, что если бы я написал функцию, возвращающую буквальное значение, и подошел к проверке кода, кто-то сказал бы мне, я должен был бы объявить постоянное значение вместо написания return 5.

Предположим, что-то немного сложнее.

constexpr int MeaningOfLife ( int a, int b ) { return a * b; }

const int meaningOfLife = MeaningOfLife( 6, 7 );

Теперь у вас есть что-то, что можно оценить до постоянной, сохраняя при этом хорошую читабельность и позволяя немного более сложную обработку, чем просто установка постоянной для числа.

Это в основном обеспечивает хорошую поддержку для ремонтопригодности, поскольку становится более очевидным, что вы делаете. Взять max( a, b )к примеру:

template< typename Type > constexpr Type max( Type a, Type b ) { return a < b ? b : a; }

Это довольно простой выбор, но это означает, что если вы вызываете maxс постоянными значениями, он явно вычисляется во время компиляции, а не во время выполнения.

Другим хорошим примером будет DegreesToRadiansфункция. Каждый находит градусы легче, чем радианы. Хотя вы, возможно, знаете, что в радианах указано 180 градусов, это гораздо яснее записать следующим образом:

const float oneeighty = DegreesToRadians( 180.0f );

Много полезной информации здесь:

http://en.cppreference.com/w/cpp/language/constexpr

Введение

constexprне был представлен как способ сказать реализации, что что-то может быть оценено в контексте, который требует константного выражения ; Соответствующие реализации смогли доказать это до C ++ 11.

То, что реализация не может доказать, является намерением определенного фрагмента кода:

• Что разработчик хочет выразить этой сущностью?
• Должны ли мы слепо допустить использование кода в константном выражении только потому, что это работает?

Чего бы не было в мире constexpr?

Допустим, вы разрабатываете библиотеку и понимаете, что хотите вычислить сумму каждого целого числа в интервале (0,N].

int f (int n) {
  return n > 0 ? n + f (n-1) : n;
}

Отсутствие намерения

Компилятор может легко доказать, что вышеуказанная функция вызывается в константном выражении, если переданный аргумент известен во время перевода; но вы не объявили это намерением - так уж случилось.

Теперь приходит кто-то другой, читает вашу функцию, выполняет тот же анализ, что и компилятор; « О, эту функцию можно использовать в постоянном выражении!» и пишет следующий фрагмент кода.

T arr[f(10)]; // freakin' magic

Оптимизация

Вы, как «замечательный» разработчик библиотек, решаете, что fследует кешировать результат при вызове; кто хотел бы рассчитывать один и тот же набор значений снова и снова?

int func (int n) { 
  static std::map<int, int> _cached;

  if (_cached.find (n) == _cached.end ()) 
    _cached[n] = n > 0 ? n + func (n-1) : n;

  return _cached[n];
}

Результат

Внедрив свою глупую оптимизацию, вы просто прервали каждое использование своей функции в контексте, где требовалось постоянное выражение .

Вы никогда не обещали, что функция будет использоваться в постоянном выражении , и без этого constexprне было бы способа обеспечить такое обещание.

Итак, зачем нам это constexpr?

Основное использование constexpr - объявить намерение .

Если объект не помечен как constexpr- он никогда не предназначался для использования в константном выражении ; и даже если это так, мы полагаемся на компилятор для диагностики такого контекста (потому что он игнорирует наши намерения).

Возьмите std::numeric_limits<T>::max(): по какой-то причине, это метод. constexprбыло бы полезно здесь.

Другой пример: вы хотите объявить C-массив (или a std::array) размером с другой массив. Способ сделать это на данный момент так:

int x[10];
int y[sizeof x / sizeof x[0]];

Но не лучше ли было бы написать:

int y[size_of(x)];

Благодаря constexpr, вы можете:

template <typename T, size_t N>
constexpr size_t size_of(T (&)[N]) {
    return N;
}

constexprфункции действительно хороши и являются отличным дополнением к c ++. Тем не менее, вы правы в том, что большинство проблем, которые он решает, можно обойтись без макросов.

Однако одно из применений constexprне имеет C ++ 03 эквивалентных типизированных констант.

// This is bad for obvious reasons.
#define ONE 1;

// This works most of the time but isn't fully typed.
enum { TWO = 2 };

// This doesn't compile
enum { pi = 3.1415f };

// This is a file local lvalue masquerading as a global
// rvalue.  It works most of the time.  But May subtly break
// with static initialization order issues, eg pi = 0 for some files.
static const float pi = 3.1415f;

// This is a true constant rvalue
constexpr float pi = 3.1415f;

// Haven't you always wanted to do this?
// constexpr std::string awesome = "oh yeah!!!";
// UPDATE: sadly std::string lacks a constexpr ctor

struct A
{
   static const int four = 4;
   static const int five = 5;
   constexpr int six = 6;
};

int main()
{
   &A::four; // linker error
   &A::six; // compiler error

   // EXTREMELY subtle linker error
   int i = rand()? A::four: A::five;
   // It not safe use static const class variables with the ternary operator!
}

//Adding this to any cpp file would fix the linker error.
//int A::four;
//int A::six;

Из того, что я прочитал, необходимость в constexpr проистекает из проблемы метапрограммирования. Классы черт могут иметь константы, представленные в виде функций, подумайте: numeric_limits :: max (). С constexpr эти типы функций могут использоваться в метапрограммировании или в качестве границ массивов и т. Д. И т. Д.

Еще один пример, который я бы выбрал, - это то, что для интерфейсов классов вы можете захотеть, чтобы производные типы определяли свои собственные константы для некоторой операции.

Редактировать:

После изучения SO, похоже, что другие придумали несколько примеров того, что может быть возможно с constexprs.

Из выступления Страуструпа на «Going Native 2012»:

template<int M, int K, int S> struct Unit { // a unit in the MKS system
       enum { m=M, kg=K, s=S };
};

template<typename Unit> // a magnitude with a unit 
struct Value {
       double val;   // the magnitude 
       explicit Value(double d) : val(d) {} // construct a Value from a double 
};

using Speed = Value<Unit<1,0,-1>>;  // meters/second type
using Acceleration = Value<Unit<1,0,-2>>;  // meters/second/second type
using Second = Unit<0,0,1>;  // unit: sec
using Second2 = Unit<0,0,2>; // unit: second*second 

constexpr Value<Second> operator"" s(long double d)
   // a f-p literal suffixed by ‘s’
{
  return Value<Second> (d);  
}   

constexpr Value<Second2> operator"" s2(long double d)
  // a f-p literal  suffixed by ‘s2’ 
{
  return Value<Second2> (d); 
}

Speed sp1 = 100m/9.8s; // very fast for a human 
Speed sp2 = 100m/9.8s2; // error (m/s2 is acceleration)  
Speed sp3 = 100/9.8s; // error (speed is m/s and 100 has no unit) 
Acceleration acc = sp1/0.5s; // too fast for a human

Другое использование (еще не упомянутое) - constexprконструкторы. Это позволяет создавать константы времени компиляции, которые не нужно инициализировать во время выполнения.

const std::complex<double> meaning_of_imagination(0, 42); 

Соедините это с пользовательскими литералами, и вы получите полную поддержку литеральных пользовательских классов.

3.14D + 42_i;

Раньше был шаблон с метапрограммированием:

template<unsigned T>
struct Fact {
    enum Enum {
        VALUE = Fact<T-1>*T;
    };
};

template<>
struct Fact<1u> {
    enum Enum {
        VALUE = 1;
    };
};

// Fact<10>::VALUE is known be a compile-time constant

Я полагаю, что это constexprбыло введено, чтобы позволить вам писать такие конструкции без необходимости в шаблонах и странных конструкциях со специализацией, SFINAE и прочим, но точно так же, как вы бы написали функцию времени выполнения, но с гарантией того, что результат будет определен при компиляции. -время.

Однако обратите внимание, что:

int fact(unsigned n) {
    if (n==1) return 1;
    return fact(n-1)*n;
}

int main() {
    return fact(10);
}

Скомпилируйте это с, g++ -O3и вы увидите, что fact(10)это действительно оценивается во время компиляции!

Компилятор с поддержкой VLA (например, компилятор C в режиме C99 или компилятор C ++ с расширениями C99) может даже позволить вам сделать:

int main() {
    int tab[fact(10)];
    int tab2[std::max(20,30)];
}

Но то, что это нестандартный C ++ на данный момент - constexprпохоже на способ борьбы с этим (даже без VLA, в приведенном выше случае). И все еще существует проблема необходимости иметь «формальные» константные выражения в качестве аргументов шаблона.

Только что начали переключать проект на c ++ 11 и столкнулись с совершенно хорошей ситуацией для constexpr, которая убирает альтернативные методы выполнения той же операции. Ключевым моментом здесь является то, что вы можете поместить функцию в объявление размера массива только тогда, когда она объявлена ​​constexpr. Есть ряд ситуаций, когда я вижу, что это очень полезно для продвижения вперед в той области кода, в которой я участвую.

constexpr size_t GetMaxIPV4StringLength()
{
    return ( sizeof( "255.255.255.255" ) );
}

void SomeIPFunction()
{
    char szIPAddress[ GetMaxIPV4StringLength() ];
    SomeIPGetFunction( szIPAddress );
}

Все остальные ответы великолепны, я просто хочу привести классный пример того, что вы можете сделать с constexpr, что удивительно. See-Phit ( https://github.com/rep-movsd/see-phit/blob/master/seephit.h ) - это HTML-анализатор и шаблонизатор времени компиляции. Это означает, что вы можете вставить HTML и получить дерево, которым можно манипулировать. Выполнение анализа во время компиляции может дать вам дополнительную производительность.

Из примера страницы github:

#include <iostream>
#include "seephit.h"
using namespace std;



int main()
{
  constexpr auto parser =
    R"*(
    <span >
    <p  color="red" height='10' >{{name}} is a {{profession}} in {{city}}</p  >
    </span>
    )*"_html;

  spt::tree spt_tree(parser);

  spt::template_dict dct;
  dct["name"] = "Mary";
  dct["profession"] = "doctor";
  dct["city"] = "London";

  spt_tree.root.render(cerr, dct);
  cerr << endl;

  dct["city"] = "New York";
  dct["name"] = "John";
  dct["profession"] = "janitor";

  spt_tree.root.render(cerr, dct);
  cerr << endl;
}

Ваш основной пример служит тем же аргументом, что и аргумент самих констант. Зачем использовать

static const int x = 5;
int arr[x];

над

int arr[5];

Потому что это намного удобнее в обслуживании. Использование constexpr намного, намного быстрее, чтобы писать и читать, чем существующие методы метапрограммирования.

Это может включить некоторые новые оптимизации. constТрадиционно является подсказкой для системы типов и не может использоваться для оптимизации (например, constфункция-член может const_castи в любом случае изменять объект юридически, поэтому constнельзя доверять оптимизации).

constexprозначает, что выражение действительно является константой, если входные данные для функции являются постоянными. Рассматривать:

class MyInterface {
public:
    int GetNumber() const = 0;
};

Если это раскрыто в каком-то другом модуле, компилятор не может доверять тому, что GetNumber()он не будет возвращать разные значения при каждом вызове - даже последовательно без промежуточных вызовов между ними - потому что constмог быть отброшен в реализации. (Очевидно, что любой программист, который сделал это, должен быть застрелен, но язык это позволяет, поэтому компилятор должен соблюдать правила.)

Добавление constexpr:

class MyInterface {
public:
    constexpr int GetNumber() const = 0;
};

Теперь компилятор может применить оптимизацию, когда возвращаемое значение GetNumber()кэшируется, и исключать дополнительные вызовы GetNumber(), поскольку constexprэто более надежная гарантия того, что возвращаемое значение не изменится.

Когда использовать constexpr:

1. всякий раз, когда есть постоянная времени компиляции.

Это полезно для чего-то вроде

// constants:
const int MeaningOfLife = 42;

// constexpr-function:
constexpr int MeaningOfLife () { return 42; }

int some_arr[MeaningOfLife()];

Свяжите это с классом черт или подобным, и это станет весьма полезным.