return 语句中的 C++ constexpr 函数

Question

为什么 constexpr 函数在编译时不求值，而在运行时在 main 函数的 return 语句中求值？

试过了

template<int x>
constexpr int fac() {
    return fac<x - 1>() * x; 
} 

template<>
constexpr int fac<1>() {
    return 1; 
} 

int main() {
    const int x = fac<3>();
    return x;
} 

结果是

main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 6
        mov     eax, 6
        pop     rbp
        ret

使用 gcc 8.2。但是当我在return语句中调用函数时

template<int x>
constexpr int fac() {
    return fac<x - 1>() * x; 
} 

template<>
constexpr int fac<1>() {
    return 1; 
} 

int main() {
    return fac<3>();
} 

我明白了

int fac<1>():
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     eax, 1
        pop     rbp
        ret
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        call    int fac<3>()
        nop
        pop     rbp
        ret
int fac<2>():
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        call    int fac<1>()
        add     eax, eax
        pop     rbp
        ret
int fac<3>():
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        call    int fac<2>()
        mov     edx, eax
        mov     eax, edx
        add     eax, eax
        add     eax, edx
        pop     rbp
        ret

为什么第一个代码在编译时评估，第二个在运行时评估？

我还尝试了带有 clang 7.0.0 的 sn-ps 并在运行时对其进行评估。为什么这对 clang 来说是无效的 constexpr？

所有评估均在 Godbolt 编译器资源管理器中完成。

Answer 1

关于constexpr 的一个常见误解是它的意思是“这将在编译时进行评估”¹。

事实并非如此。引入constexpr 是为了让我们编写自然代码，可能在需要它们的上下文中生成常量表达式。这意味着“这必须在编译时可评估”，这是编译器将检查的内容。

因此，如果您编写了一个返回 int 的 constexpr 函数，您可以使用它来计算模板参数、constexpr 变量的初始化程序（如果它是整数类型，也可以使用 const）或数组大小。您可以使用该函数来获得自然、声明性、可读的代码，而不是过去需要求助于旧的元编程技巧。

但constexpr 函数仍然是常规函数。 constexpr 说明符并不意味着编译器具有² 来优化它以在编译时进行常量折叠。最好不要因为这样的提示而混淆它。

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_{¹ - 感谢 user463035818 的措辞。
² - c++20 和 consteval 是另一回事 :)}

Answer 2

StoryTeller 的回答很好，但我认为可能会有一点不同。

用constexpr，分三种情况来区分：

1. 编译时上下文中需要结果，例如数组大小。在这种情况下，参数也必须在编译时知道。评估可能在编译时进行，并且至少所有可诊断的错误都会在编译时发现。

2. 参数仅在运行时已知，编译时不需要结果。在这种情况下，评估必须在运行时进行。

3. 参数可能在编译时可用，但只有在运行时才需要结果。

第四种组合（参数仅在运行时可用，结果需要在编译时）是错误的；编译器会拒绝这样的代码。

现在，在情况 1 和 3 中，计算可能发生在编译时，因为所有输入都可用。但是为了方便情况 2，编译器必须能够创建一个运行时版本，并且它可能决定在其他情况下也使用这个变体——如果可以的话。

例如一些编译器在内部支持可变大小的数组，因此即使语言需要编译时数组边界，实现也可能决定不这样做。