编译时计算（C++ v.C）[关闭]

Question

我了解constexpr 关键字可用于在 C++ 中执行编译时计算。例如：

constexpr int factorial(int n)
{
    return n <= 1 ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}

（取自https://en.cppreference.com/w/cpp/language/constexpr）

是否可以将编译时计算视为 C++ 与 C 的主要优势？

据我了解，编译时计算在 C 中是不可能的。constexpr 不可用，我相信代码必须在运行时进行评估。

这是 C++ 程序与同等 C 程序相比可以获得更好性能（例如速度）的一种方式吗？

Answer 1

只有一件事是肯定的 - 编译时计算使 C++ 编译器必然更复杂，编译速度会必然变慢，因为编译器需要在编译期间执行此操作；见例子

constexpr int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}

int main(void) {
    static_assert(factorial(10) == 3628800, "factorial 10 was correct");
    static_assert(factorial(3) == 42, "factorial 3 was 42");
}

由于后者static_assert而不是前者，它必须编译失败。

---

C 编译器不需要这种复杂性，因为没有要求 C 编译器必须能够在编译期间计算递归函数的值。一个简单的 C 编译器可以很好地将每个 语句 分别组装成机器代码，而不必记住前面的语句做了什么。 C 标准当然不要求它能够在编译期间评估递归函数。

但这并不是说没有 C 编译器会在编译期间这样做。看这个例子：

#include <stdio.h>

int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}

int main(void) {
    printf("%d\n", factorial(10));
}

Compiled with GCC 10.2 as a C program with -O3，感谢the as-if rule，程序变成了

factorial:
        mov     eax, 1
        cmp     edi, 1
        jle     .L4
.L3:
        mov     edx, edi
        sub     edi, 1
        imul    eax, edx
        cmp     edi, 1
        jne     .L3
        ret
.L4:
        ret
.LC0:
        .string "%d\n"
main:
        sub     rsp, 8
        mov     esi, 3628800
        mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0
        xor     eax, eax
        call    printf
        xor     eax, eax
        add     rsp, 8
        ret

哪个更直接对应

unsigned factorial(unsigned n) {
     unsigned i = 1;
     while (n > 1) {
         i *= n;
         n --;
     }
     return i;
}

int main(void) {
    printf("%d\n", 3628800);
}

即编译器不仅将递归展平为一个简单的while 循环，而且还解析了常量的阶乘，而且都没有任何特殊关键字。

Answer 2

是否可以将编译时计算视为 C++ 与 C 的主要优势？

其实重要的不是编译，而是software building。

请参阅build automation 上的维基百科页面。

然后，请注意许多软件项目（包括github 或gitlab 上的许多开源项目）正在生成 C （甚至 C++）来自更抽象的代码（例如，使用软件工具）。一个典型的例子显然是解析器生成器（又名compiler-compilers），例如GNU bison 或ANTLR。另一个例子是胶水代码生成器，如rpcgen 或SWIG。并且GNU autoconf 使您的构建适应您计算机上可用的软件包。注意Chicken-Scheme 和Bigoo 都从Scheme 源代码生成C 代码。当然见this。在某些情况下，巨大的 C 文件是由微小的输入生成的（另请参见 XBM 格式）。 Maple 能够生成大型 C 文件，并且在某些情况下会生成大量 C 代码 -e.g.半百万行 - 有意义（如 Pitrat 的书 Artificial beings: the conscience of a conscious machine 和 blog 中所述。

最后，whole-program optimization 可以存在（请参阅最近的 GCC 中的 -flto 标志以获取 Link-Time-Optimization；您实际上可以编译 link 和 gcc -Wall -O2 -flto）并且在“链接时”需要一些编译器支持.

在某些情况下，编译时间并不那么重要（例如，从源代码编译 Firefox 或 Linux kernel 或 LibreOffice 或 Gnome 或 GTK base)，但是构建时间可以持续几个小时，或者肯定是几十分钟（因为有很多不同的 translation units - 具体是 *.c 或 *.cc 文件 - 必须先编译然后链接） .

有传言称，Google 会在内部花费数小时的计算机时间来构建大部分内部软件。

请注意，第一个 C++ 编译器（例如 Cfront）已实现为 C 代码生成器，并且诸如 GCC 编译器之类的大型软件已经几十个 专门的 C 或 C++ 代码生成器。尝试从可用的源代码在您的笔记本电脑上构建针对您的RaspBerryPi 板的 GCC 交叉编译器（它太小且功能不足，无法在其上直接编译 GCC）。 LinuxFromScratch 上的构建说明是相关的。

有关生成 C 代码的 C 程序示例，请参阅我的用于 Linux 的 manydl.c 代码，或在 this draft 报告中描述的 Bismon 程序。过时的 GCC MELT 项目的过去版本确实生成了一百万行 C 或 C++ 代码。 manydl.c 能够在几天内生成然后编译 C 代码，并说明 dlopen(3) 可以多次使用。有关在 Linux 上生成 C++ 的 C++ 软件的示例，请参阅我的 RefPerSys 项目。还请查看tunes.org，了解与元编程和 C 或 C++ 代码生成相关的讨论。

还要考虑cross-compilation 情况

例如在笔记本电脑上为Arduino 编译C 代码，或为RaspberryPi 编译C++ 代码，可能使用GCC。或者在您的 PC 上为遥远的top500 超级计算机编译代码。

关于 C++ versusC

我对 C++ 标准 n3337 的理解是编译时计算并未在此处指定（但我并不声称自己是 C++ 专家）。 特别是，没有什么禁止您使用 C++ interpreter（您可以使用 C、C++、Ocaml、Java 等编写代码）。将此想法视为一个有趣的编程练习（但在尝试之前请阅读Dragon book）。

我的观点是，按照 C++ 标准的规定，可以将学习 C++ 的学生的课堂视为 C++ 实现。教授 C++ 的一个好方法是向教室询问几个 C++ 程序的 semantics，这可以用铅笔和纸或 whiteboard 来教授。我实际上以这种方式在operational semantics 上教授了一门课程（在巴黎第六大学）。 板子是黑色的，我用了各种颜色的粉笔。

还可以查看Frama-C 或Clang static analyzer 等软件工具。两者都是open source，所以你可以研究它们的来源。

这是 C++ 程序与同等 C 程序相比可以获得更好性能（例如速度）的一种方式吗？

这是你的意见，我不同意。是什么让您认为Ocaml 或SBCL 的运行时会更快（您应该下载并研究源代码）如果它是用 C++ 编写的？ 一个有趣的练习可能是用 C++ 重新编码 tinyCC 编译器（对于 C，针对 Linux 上的 x86 32 位和 x86-64 位，用 C 编码），并对任何改进进行基准测试。那个简单但聪明的编译器编译 C 代码的速度非常快，但编译的太少了compiler optimizations。