为什么 consteval/constexpr 和模板元函数之间的编译时间存在如此巨大的差异？

Question

我很好奇在编译时评估方面我可以将 gcc 推到多远，所以我让它计算 Ackermann 函数，特别是输入值为 4 和 1（任何高于此值都不切实际）：

consteval unsigned int A(unsigned int x, unsigned int y)
{
    if(x == 0)
        return y+1;
    else if(y == 0)
        return A(x-1, 1);
    else
        return A(x-1, A(x, y-1));
}

unsigned int result = A(4, 1);

（我认为递归深度限制在~16K，但为了安全起见，我用-std=c++20 -fconstexpr-depth=100000 -fconstexpr-ops-limit=12800000000编译了这个）

毫不奇怪，这会占用大量的堆栈空间（事实上，如果以 8mb 的默认进程堆栈大小运行，它会导致编译器崩溃）并且需要几分钟的计算时间。但是，它最终确实会到达那里，很明显编译器可以处理它。

在那之后，我决定尝试使用模板、元函数和部分特化模式匹配来实现 Ackermann 函数。令人惊讶的是，以下实现只需要几秒钟即可评估：

template<unsigned int x, unsigned int y>
struct A {
    static constexpr unsigned int value = A<x-1, A<x, y-1>::value>::value;
};

template<unsigned int y>
struct A<0, y> {
    static constexpr unsigned int value = y+1;
};

template<unsigned int x>
struct A<x, 0> {
  static constexpr unsigned int value = A<x-1, 1>::value;
};

unsigned int result = A<4,1>::value;

（用-ftemplate-depth=17000编译）

为什么评估时间会有如此巨大的差异？这些本质上不是等效的吗？我想我可以理解 consteval 解决方案需要更多的内存和评估时间，因为它在语义上由一堆函数调用组成，但这并不能解释为什么在运行时计算的这个完全相同的（非 consteval）函数只需要一点点比元函数版本长（编译时没有优化）。

为什么consteval 这么慢？我几乎很想得出结论，它正在由 GIMPLE 解释器或类似的东西进行评估。还有，元功能版怎么会这么快？它实际上并不比优化的机器码慢多少。

Answer 1

在A 的模板版本中，当一个特定的特化，比如A<2,3>，被实例化时，编译器会记住这个类型，并且永远不需要再次实例化它。这是因为类型是唯一的，对这个元函数的每次“调用”只是计算一个类型。

consteval 函数版本未对此进行优化，因此A(2,3) 可能会被多次评估，具体取决于控制流，从而导致您观察到的性能差异。没有什么可以阻止编译器“缓存”函数调用的结果，但这些优化可能还没有实现。