g++ 编译器是否将 constexpr 函数视为常规函数，以防它们的返回值未被使用？

Question

我试图查看由 g++ 编译的 cpp constexpr 函数的编译代码。 我看到如果函数不返回任何内容，编译器会将其视为常规函数，但如果它返回一个值并将该值分配给 constexpr 变量，则只有在编译时才计算它。

代码示例：

constexpr int func(int x){
   return x!=0 ? 1: throw "Error";
}

int main(){
    func(2);
}

和编译器输出：

push    rbp
mov     rbp, rsp
mov     edi, 2
call    func(int)
mov     eax, 0
pop     rbp
ret

如您所见，它在运行时调用 func。相反，如果我将函数结果分配给 constexpr：

constexpr int func(int x){
    return x!=0 ? 1: throw "Error";
}

int main(){
   constexpr int x = func(2);
}

和编译器输出：

main:
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    mov     DWORD PTR [rbp-4], 1
    mov     eax, 0
    pop     rbp
    ret

谁能解释一下为什么编译器需要这个赋值来在编译时而不是在运行时评估函数？

Answer 1

我编译了下面的代码来看看 gcc 11.2 是否优化了 constexpr 函数：

#include <iostream>
using namespace std;
    
constexpr double pi(){
 double a=0.;
 for(int i=1;i<100000;i+=4)a+=1./i-1./(i+2);
 return a*4;
}
    
int main(){
 constexpr int pi2=pi()*100;
 enum {pi3=pi2};
 cout<<pi3<<endl;
}

拆解如下：

# temp.cpp:10: int main(){
        call    __main   #
 # temp.cpp:11:  constexpr int pi2=pi()*100;
        movl    $314, -4(%rbp)   #, pi2
 # temp.cpp:13:  cout<<pi3<<endl;
        movl    $314, %edx       #,
        movq    .refptr._ZSt4cout(%rip), %rax    #, tmp85
        movq    %rax, %rcx       # tmp85,
        call    _ZNSolsEi        #
        movq    %rax, %rcx       #, _1
 # temp.cpp:13:  cout<<pi3<<endl;
        movq    .refptr._ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_(%rip), %rax   #, tmp86
        movq    %rax, %rdx       # tmp86,
        call    _ZNSolsEPFRSoS_E         #
 # temp.cpp:14: }
        movl    $0, %eax         #, _7
        addq    $48, %rsp        #,
        popq    %rbp     #
        ret

因此，gcc 可以在编译时评估 constexpr 函数。

如果需要更长的计算，gcc 标志-fconstexpr-* 应该增加。但我观察到编译时间计算比（-O3 flag）执行时间计算需要更多时间。

如果需要更长的计算，我建议，

• 编写代码以生成代码（如计算上面示例中的pi），
• 编译并运行该代码，
• 将生成的代码与其余代码一起编译。

写makefile 来执行上述步骤会很有帮助。

Answer 2

允许编译器决定是否在编译时或运行时评估 constexpr 函数。只有在需要编译时常量表达式的上下文中使用函数时（例如使用结果初始化constexpr 变量），编译器必须在编译时评估函数。

在您的第一个示例中，情况并非如此，因为您可能在调试模式下编译，该函数在运行时调用，就像其他所有函数一样。

来自cppreference 的引用（由我突出显示）：

constexpr 说明符声明可以在编译时评估函数或变量的值。然后可以在仅允许编译时常量表达式的情况下使用此类变量和函数（前提是给出了适当的函数参数）。

如果你编译你的第一个例子，例如-O3 你会看到函数调用被优化掉了。