C++11的constexpr關鍵字

 

 

原文地址：http://towriting.com/blog/2013/09/17/constexpr/

 

C++11有一些這樣的改善，這種改善保證寫出的代碼比以往任何時候的執行效率都要好。這種改善之一就是生成常量表達式，允許程序利用編譯時的計算能力。假如你熟悉模板元編程，你將發現constexpr使這一切變得更加簡單。假如你不知道模板元編程，也沒什么。constexpr使我們很容易利用上編譯時編程的優勢。

常量表達式主要是允許一些計算發生在編譯時，即發生在代碼編譯而不是運行的時候。這是很大的優化：假如有些事情可以在編譯時做，它將只做一次，而不是每次程序運行時。需要計算一個編譯時已知的常量，比如特定值的sine或cosin？確實你亦可以使用庫函數sin或cos，但那樣你必須花費運行時的開銷。使用constexpr，你可以創建一個編譯時的函數，它將為你計算出你需要的數值。用戶的電腦將不需要做這些工作。

constexpr初探

為了使函數獲取編譯時計算的能力，你必須指定constexpr關鍵字到這個函數。

constexpr int multiply (int x, int y) {  return x * y; }  // 將在編譯時計算 const int val = multiply( 10, 10 ); 

除了編譯時計算的性能優化，constexpr的另外一個優勢是，它允許函數被應用在以前調用宏的所有場合。例如，你想要一個計算數組size的函數，size是10的倍數。如果不用constexpr，你需要創建一個宏或者使用模板，因為你不能用函數的返回值去聲明數組的大小。但是用constexpr，你就可以調用一個constexpr函數去聲明一個數組。

constexpr int getDefaultArraySize (int multiplier) {  return 10 * multiplier; }  int my_array[ getDefaultArraySize( 3 ) ]; 

constexpr函數的限制

一個constexpr有一些必須遵循的嚴格要求：

• 函數中只能有一個return語句（有極少特例）
• 只能調用其它constexpr函數
• 只能使用全局constexpr變量

注意遞歸並不受限制。但只允許一個返回語句，那如何實現遞歸呢？可以使用三元運算符（?:)。例如，計算n的階乘：

constexpr int factorial (int n) {  return n > 0 ? n * factorial( n - 1 ) : 1; } 

現在你可以使用factorial(2)，編譯器將在編譯時計算這個值，這種方式運行更巧妙的計算，與內聯截然不同。你無法內聯一個遞歸函數。

constexpr函數還有那些特點？

一個constexpr函數，只允許包含一行可執行代碼。但允許包含typedefs、 using declaration && directives、靜態斷言等。

constexpr和運行時

一個聲明為constexpr的函數同樣可以在運行時被調用，當這個函數的參數是非常量的：

int n; cin >> n; factorial( n ); 

這意味着你不需要分別寫運行時和編譯時的函數。

編譯時使用對象

假如你有一個Circle類：

class Circle {  public:  Circle (int x, int y, int radius) : _x( x ), _y( y ), _radius( radius ) {}  double getArea () const  {  return _radius * _radius * 3.1415926;  }  private:  int _x;  int _y;  int _radius; }; 

你希望在編譯期構造一個Circle接着算出他的面積。

constexpr Circle c( 0, 0, 10 ); constexpr double area = c.getArea(); 

事實證明你可以給Circle類做一些小的修改以完成這件事。首先，我們需要將構造函數聲明為constexpr，接着我們需要將getarea函數聲明為constexpr。將構造函數聲明為constexpr則運行構造函數在編譯期運行，只要這個構造函數的參數為常量，且構造函數僅僅包含成員變量的constexpr構造（所以默認構造可以看成constexpr，只要成員變量都有constexpr構造）。

class Circle {  public:  constexpr Circle (int x, int y, int radius) : _x( x ), _y( y ), _radius( radius ) {}  constexpr double getArea ()  {  return _radius * _radius * 3.1415926;  }  private:  int _x;  int _y;  int _radius; }; 

constexpr vs const

假如你將一個成員函數標記為constexpr，則順帶也將它標記為了const。如果你將一個變量標記為constexpr，則同樣它是const的。但相反並不成立，一個const的變量或函數，並不是constexpr的。

constexpr和浮點數

到這里我們講到的constexpr功能都可以通過模板元編程實現。但constexpr支持的一項能力是可以計算浮點型的數據。因為double和float不是有效的模板參數，你不可以輕易的通過模板編譯期計算浮點數的值。而constexpr允許編譯期計算浮點型數據。

權衡constexpr

C++開發者早就深受修改一個頭文件則引發重新編譯導致編譯緩慢的困擾。而constexpr可能引入增加編譯時間的風險，但也有一些技術去降低這種風險。首先，因為constexpr函數相同的參數會輸出相同的結果，所以它們可以被memoized，事實上GCC已經支持memoization。

因為可以對constexpr函數memoize,所以用constexpr函數替換模板函數的地方，(編譯）性能不會變得更壞，但代碼會變得清晰。事實上，替換掉一部分模板實例，編譯會顯著加快。

最后，標准允許編譯器去限制遞歸函數的級數。這樣可以限制深度遞歸的編譯性能損耗。

編譯器支持

constexpr需要編譯器支持編譯期的遞歸，所以也不奇怪支持constexpr的編譯器並不多，就我所知只有G++4.7支持這一特性。[注：到我翻譯時，intelC++13、Clang3.1也都支持了，不過Vs2013還是不支持]