在编译时使用 Constexpr 填充数组

Question

我想使用 constexpr 填充一个枚举数组。 数组的内容遵循一定的规律。

我有一个枚举，将 ASCII 字符集分为四类。

enum Type {
    Alphabet,
    Number,
    Symbol,
    Other,
};

constexpr Type table[128] = /* blah blah */;

我想要一个包含 128 个 Type 的数组。它们可以在一个结构中。 数组的索引将对应ASCII字符，值为每个字符的Type。

所以我可以查询这个数组来找出一个 ASCII 字符属于哪个类别。类似的东西

char c = RandomFunction();
if (table[c] == Alphabet) 
    DoSomething();

我想知道如果没有一些冗长的宏 hack，这是否可行。

目前，我通过执行以下操作来初始化表。

constexpr bool IsAlphabet (char c) {
    return ((c >= 0x41 && c <= 0x5A) ||
            (c >= 0x61 && c <= 0x7A));
}

constexpr bool IsNumber (char c) { /* blah blah */ }

constexpr bool IsSymbol (char c) { /* blah blah */ }

constexpr Type whichCategory (char c) { /* blah blah */ }

constexpr Type table[128] = { INITIALIZE };

INITIALIZE 是一些非常冗长的宏 hack 的入口点。 类似的东西

#define INITIALIZE INIT(0)
#define INIT(N) INIT_##N
#define INIT_0 whichCategory(0), INIT_1
#define INIT_1 whichCategory(1), INIT_2
//...
#define INIT_127 whichCategory(127)

我想要一种方法来填充此数组或包含该数组的结构，而无需此宏 hack...

可能是这样的

struct Table {
    Type _[128];
};

constexpr Table table = MagicFunction();

那么，问题是如何写这个MagicFunction？

注意：我知道cctype和likes，这个问题更像是Is this possible?而不是Is this the best way to do it?。

任何帮助将不胜感激。

谢谢，

Answer 1

忽略所有问题，indices 进行救援：

template<unsigned... Is> struct seq{};
template<unsigned N, unsigned... Is>
struct gen_seq : gen_seq<N-1, N-1, Is...>{};
template<unsigned... Is>
struct gen_seq<0, Is...> : seq<Is...>{};

template<unsigned... Is>
constexpr Table MagicFunction(seq<Is...>){
  return {{ whichCategory(Is)... }};
}

constexpr Table MagicFunction(){
  return MagicFunction(gen_seq<128>{});
}

Live example.

Answer 2

在 C++17 中，::std::array 已更新为对 constexpr 更友好，您可以像在 C++14 中那样做，但没有一些看起来很吓人的 hack 来解决缺少 @987654323 的问题@在关键的地方。下面是代码的样子：

#include <array>

enum Type {
    Alphabet,
    Number,
    Symbol,
    Other,
};

constexpr ::std::array<Type, 128> MagicFunction()
{
   using result_t = ::std::array<Type, 128>;
   result_t result = {Other};
   result[65] = Alphabet;
   //....
   return result;
}

const ::std::array<Type, 128> table = MagicFunction();

同样MagicFunction 仍然需要遵守相当宽松的constexpr 规则。主要是不能修改任何全局变量或使用new（表示修改全局状态，即堆）之类的东西。

Answer 3

恕我直言，最好的方法是编写一个小型安装程序，它将为您生成table。然后你可以扔掉安装程序，或者把它和生成的源代码一起签入。

这个问题的棘手部分只是另一个问题的重复：Is it possible to create and initialize an array of values using template metaprogramming?

诀窍是，不可能写出类似的东西

Type table[256] = some_expression();

在文件范围内，因为全局数组只能使用文字（源级）初始化器列表进行初始化。你不能用constexpr函数的结果初始化一个全局数组，即使你能以某种方式让那个函数返回一个std::initializer_list，你不能因为它的构造函数没有声明constexpr。

因此，您要做的就是让编译器为您生成数组，方法是使其成为模板类的static const 数据成员。经过一两层我太困惑而无法写出的元编程之后，你会在一行看起来像

template <int... Indices>
Type DummyStruct<Indices...>::table[] = { whichCategory(Indices)... };

其中Indices 是一个看起来像0,1,2,... 254,255 的参数包。您可以使用递归辅助模板构建该参数包，或者可能只是使用 Boost 之外的东西。然后就可以写了

constexpr Type (&table)[] = IndexHelperTemplate<256>::table;

...但是，当表格只有 256 个条目，除非 ASCII 本身发生变化，否则您为什么要这样做？正确的方法是最简单的方法：预先计算所有 256 个条目并显式写出表格，无需模板、constexpr 或任何其他魔法。

Answer 4

在 C++14 中执行此操作的方法如下所示：

#include <array>

enum Type {
    Alphabet,
    Number,
    Symbol,
    Other,
};

constexpr ::std::array<Type, 128> MagicFunction()
{
   using result_t = ::std::array<Type, 128>;
   result_t result = {Other};
   const result_t &fake_const_result = result;
   const_cast<result_t::reference>(fake_const_result[65]) = Alphabet;
   //....
   return result;
}

const ::std::array<Type, 128> table = MagicFunction();

不再需要聪明的模板黑客。不过，由于 C++14 并没有真正对标准库中的 constexpr 进行足够彻底的审查，因此必须使用涉及 const_cast 的可怕 hack。

当然，MagicFunction 最好不要修改任何全局变量或以其他方式违反 constexpr 规则。但如今这些规则相当宽松。例如，您可以修改所需的所有局部变量，但通过引用传递它们或获取它们的地址可能效果不佳。

请参阅我对 C++17 的其他答案，它可以让您放弃一些看起来难看的 hack。