C++11 新特性:一般化常量表达式和 constexpr

参考文章:https://blogs.oracle.com/pcarlini/entry/c_1x_tidbits_introducing_generalized

先看一个简单的例子。

C++ 中有一个常数表示式(constant expression)的概念。比如,3 + 4 这个表达式会在编译期自动生成 7,而且不会有任何副作用。常数表示式是编译器优化的最佳位置。编译器通常在编译期执行优化,并且将生成的值存入生成的程序代码中。另外,在许多其他情形下,C++ 规范都要求使用常数表示式。例如,数组大小的定义以及枚举值。然而在 C++ 11 之前的版本中,常数表示式在函数调用时却有了额外的问题。比如:

int getFive()
{
    return 5;
}

int some_value[getFive() + 5]; // Error!

上面的代码中,最后一句是非法的。尽管函数 getFive() 的返回值就是一个常量,但编译器并不能检测出来。它会认为该函数返回值是一个变量,因此报错。

再来看另外的一段代码:

template<int M> class F { };

F<std::numeric_limits<int>::max()> f; // Error!

当然,上面的代码也是最后一行出错。numeric_limits<>::max是 C++ 03 标准库函数,其返回值不能用于模板类 F。然而,C 风格的宏也不能用于 C++,例如INT_MAX。如果我们要实现类似意思的代码,就只能按照如下方式进行:

const int z = numeric_limits<int>::max();

此时,我们可以将z应用于上述定义中。但是,这样定义的z是动态的(在运行时),而不能静态初始化。但是,按照我们的直觉,max()函数的返回值当然可以作为一个“常量”,它是能够在编译期确定的。一般化的常量表达式,也就是这种由“足够简单的”函数生成的常量表达式,应该有更清晰的语义。这种想法也有利于改进类型安全机制(例如,去除一些常量宏);牺牲编译时间获取代码的可移植性;改进系统编程和泛型编程的支持。

在当前版本 GCC 的运行时库的某些函数(并不是 C++ 11 的新特性),例如max(),有一个新的关键字constexpr。例如:

static constexpr int max()
{
    return __INT_MAX__;
}

这样,max()就声明为一个 constexpr 函数。只有足够简单的函数(例如,仅有一行 return 语句,没有循环,不改变参数值等)可以被声明为 constexpr 的。其后果是,参数必须为常量表达式(因此才能在编译期运行函数),而函数本身则在运行时就被执行,其返回值直接进入到生成的代码。

下面是另外一个例子:

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

constexpr int abs(int x)
{
    return x < 0 ? -x : x;
}

constexpr int fac(int x)
{
    return x > 2 ? x * fac(x - 1) : 1;
}

float array[square(9)]; // Ok (not C99 VLA)

std::bitset<abs(-87)> s; // Ok

enum { Max = fac(5) }; // Ok

注意,在最新的标准中,递归是循环的。另外,下面的代码

extern const int medium;
const int high = square(medium); // Ok, dynamic init

是合法的,但是调用square()函数却等价于一个普通的函数调用。因此,high 实际还是在运行时初始化的,因为在编译期,medium 的值是不知道的。这并不是 C++ 03 的常量表达式,而是另外的东西。

在 C++ 11 中,也有这么一个常量表达式的概念:

constexpr int s = square(5);    // Ok
constexpr int high = square(medium); // error!

也有常量表达式构造函数的概念:

struct complex
{
    constexpr complex(double r, double I): re(r), im(i) {}
    constexpr double real() { return re; }
    constexpr double imag() { return im; }
private:
    double re; double im;
};

constexpr complex I(0, 1);     // Ok
constexpr double i = I.imag(); // Ok

在 GCC 4.6 中,这种一般化的常量表达式已经能够很好地工作。

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