在 constexpr 函数中实例化许多模板答案

【问题标题】：Instanciating many templates in constexpr function在 constexpr 函数中实例化许多模板
【发布时间】：2018-07-15 10:23:49
【问题描述】：

我正在开发 GameBoy 模拟器。出于好奇，我想生成一个 constexpr Opcode 对象数组，其中包含 run() 函数指针以及其他一些有用的字段。

这是一个大致如何工作的示例：

#include <array>

struct CPU
{
    int some_state = 0;
};

void f(CPU& cpu)
{
    cpu.some_state = 42;
}

void g(CPU& cpu)
{
    cpu.some_state = 12;
}

struct Opcode
{
    using Runner = void(*)(CPU&);
    Runner run = [](CPU&) {};

    /* more fields here */
};

constexpr auto gen_opcodes()
{
    std::array<Opcode, 2> ret {};

    ret[0] = { f };
    ret[1] = { g };

    return ret;
}

constexpr auto opcodes = gen_opcodes();

int main()
{
    CPU cpu;
    opcodes[1].run(cpu);
}

数组为constexpr 的原因是我希望它能够被编译器很好地优化。据我了解，如果数组只有const，编译器将更难优化run() 调用，因为这些调用是单独调用的，编译器应该内联它们，即if (something == 0x00) { opcodes[0x00].run(blahblah); }。

但是，这种方法的好处是一次生成一堆opcodes。想到了使用模板函数，当一些opcodes进入一个模式，我应该很容易一次生成几十个opcodes！

但是虽然以下工作：

template<int i>
void f(CPU& cpu)
{
    cpu.some_state = i;
}

/* ... */

constexpr auto gen_opcodes()
{
    std::array<Opcode, 2> ret {};

    ret[0] = { f<3> };
    ret[1] = { f<2> };

    return ret;
}

这失败了：

constexpr auto gen_opcodes()
{
    std::array<Opcode, 100> ret {};

    for (int i = 30; i < 50; ++i)
    {
        ret[i] = { f<i> };
    }

    return ret;
}

注意：这显然是为了示例，在实践中略有不同。

原因是这个上下文中的i 不是一个常量表达式。

如果不手动编写这些函数模板，如何生成它们？否则是否有另一种“足够短”并且具有我之前所说的优势的解决方案？

我有一些想法，但似乎都不够：

有状态的 lambda。但是，std::function 在 constexpr 上下文中不起作用，因为它具有非平凡的析构函数，并且捕获 lambda 不能转换为函数指针。
函数对象。我不知道如何将它们以这种方式存储在 constexpr 上下文中。

【问题讨论】：

标签： c++ templates c++17 template-meta-programming constexpr

【解决方案1】：

原因是这个上下文中的 i 不是常量表达式

所以诀窍是将i 转换为常量表达式。

您在constexpr 函数中使用std::array 的operator[]，因此您使用的是C++17。

在 C++17 中，您可以使用 std::index_sequence/std::make_index_sequence（从 C++14 开始提供）和模板折叠（从 C++17 开始）。

所以你可以分两步写gen_opcodes()。

生成具有循环长度的std::index_sequence 的第一步

constexpr auto gen_opcodes_1()
{ return gen_opcodes_2(std::make_index_sequence<20U>{}); }

第二步，使用模板折叠来模拟for循环

template <std::size_t ... Is>
constexpr auto gen_opcodes_2 (std::index_sequence<Is...> const &)
 {
   std::array<Opcode, 100> ret {};

   ( (ret[30+Is] = { f<30+Is> }), ... );

   return ret;
 }

以下是完整的编译示例

#include <array>

struct CPU
 { int some_state = 0; };

template <int I>
void f (CPU & cpu)
 { cpu.some_state = I; }

struct Opcode
 { 
   using Runner = void(*)(CPU&);
   Runner run = [](CPU&) {};
 };

template <std::size_t ... Is>
constexpr auto gen_opcodes_2 (std::index_sequence<Is...> const &)
 {
   std::array<Opcode, 100> ret {};

   ( (ret[30+Is] = { f<30+Is> }), ... );

   return ret;
 }

constexpr auto gen_opcodes_1()
 { return gen_opcodes_2(std::make_index_sequence<20U>{}); }

constexpr auto opcodes = gen_opcodes_1();

int main()
 {
   CPU cpu;
   opcodes[1].run(cpu);
 }

【讨论】：