Грокаем C++ on Telegram: “constexpr функции сквозь года #новичкам constexp…”

constexpr функции сквозь года
#новичкам

constexpr бывают не только переменные, но и функции. Такие функции могут быть выполнены, как в compile-time, так и в runtime, в зависимости от контекста вызова:
- Если значения параметров возможно посчитать на этапе компиляции, то возвращаемое значение также должно посчитаться на этапе компиляции.
- Если значение хотя бы одного параметра будет неизвестно на этапе компиляции, то функция будет запущена в runtime.
- Если вы попытаетесь присвоить возвращаемое значение функции с runtime аргументом constexpr переменной, то получите ошибку компиляции.

constexpr int square(int x) {
    return x * x;
}

int main() {
    constexpr int val = square(5);  // compile-time calculations
    static_assert(val == 25, "Must be 25");  // compile-time check
    int arg = rand() % 25;
    int res = square(arg); // runtime calculations
    assert(res == arg*arg); // runtime check
    constexpr int fail = square(arg); // compile error here!
}

Пройдемся по стандартам языка и посмотрим, как в них изменялись constexpr функции.

В С++11 можно было использовать только однострочные constexpr функции с сильными ограничениями.

constexpr int factorial(int n) {
    // ternary operator is allowed, so recursion
    return (n <= 1) ? 1 : n * factorial(n - 1); 
}

В С++14 уже можно писать многострочные функции, использовать в них локальные переменные и базовые конструкции языка, кроме try-catch(там динамические аллокации, с которыми трудно в compile-time), goto(открестились и правильно сделали) и еще пары менее значимых моментов:

constexpr int factorial(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 2; i <= n; ++i) {
        result *= i;
    }
    return result;
}

static_assert(factorial(5) == 120, "Must be 120");

C++17 - constexpr лямбды. За это отдельный лайк 17-му стандарту, но помимо этого ничего существенного не привнеслось:

constexpr auto factorial = [](int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 2; i <= n; ++i) {
        result *= i;
    }
    return result;
};

static_assert(factorial(5) == 120, "Must be 120");

C++20 и выше - constexpr почти везде. Уже есть и виртуальные constexpr функции, и исключения можно в compile-time отлавливать, и большинство простых контейнеров могут быть созданы и препарированы в compile-time, и все больше алгоритмов и стандартных функции получают пометки constexpr.

constexpr std::string create_greeting() {
    std::string s = "Hello, ";
    s += "C++20!";
    return s;
}

static_assert(create_greeting() == "Hello, C++20!");

constexpr функции помогают иметь единый интерфейс для runtime и compile-time вычислений. Поэтому использование таких функций может приводить к неожиданному переносу некоторых вычислений в compile-time.

В сферах, где важны ультра-мега-милипизерные задержки очень важно как можно больше действий перевести в compile-time + сильно разгрузить "разогрев" программы , чтобы оставить время выполнения только для самых важных вещей(лутание бабок).

Free up time for important things. Stay cool.

#cpp11 #cpp14 #cpp17 #cpp20