了解 C++ constexpr 性能

Question

我最近使用带有 C++17 的 constexpr 函数编写了一个编译时光线追踪器。完整源代码可见here。这个问题的相关代码如下所示：

constexpr auto image = []() {
        StaticImage<image_width, image_height> image;

        Camera camera{Pointf{0.0f, 0.0f, 500.0f},
                      Vectorf{0.0f},
                      Vectorf{0.0f, 1.0f, 0.0f},
                      500.0f};

        std::array<Shapes, 1> shapes_list{Sphere{Pointf{0.0f}, 150.0f}};
        std::array<Materials, 1> materials_list{DefaultMaterial{}};
        ShapeContainer<decltype(shapes_list)> shapes{std::move(shapes_list)};
        MaterialContainer<decltype(materials_list)> materials{
            std::move(materials_list)};

        SphereScene scene;
        scene.set_camera(camera);

        Renderer::render(scene, image, shapes, materials);
        return image;
    }();

此处显示的每个类（StaticImage、Camera、Shapes、Materials、ShapeContainer、MaterialContainer 和 SphereScene）完全由 constexpr 函数组成。 Renderer::render 也是 constexpr，负责遍历图像中的每个像素，将光线射入场景，并设置相应的颜色。

使用此当前设置和 512x512 的映像，在发布模式下使用 MSVC 16.9.2，编译器大约需要 35 分钟才能完成生成映像。在此过程中，它的内存使用率上升到最终使用近 64GB RAM 的程度。

所以，我的问题是：为什么编译时间和内存使用率这么高？

我的理论是编译时间的部分原因是调用堆栈的复杂性（即大量模板、CRTP 和深度），所以我尝试通过删除几个模板来简化调用堆栈（ Vector 类不再模板化）并设法将编译时间减少到 32 分钟，内存使用量减少到 61GB。更好，但仍然很高。问题是我不太明白为什么它这么慢。我明白评估所有constexpr 函数是一个非常复杂的过程（因为编译器必须检查UB、类型推断等），但我没想到它会这么慢。我也对高内存使用感到困惑。图像数组本身使用的内存不超过 4MB (512 * 512 * 3 * sizeof(float))，那么额外的内存从何而来？

Answer 1

编译时执行的效率将远低于运行时执行。编译器必须做更多的工作才能执行相同的代码。编译时执行的重点是执行您在运行时无法执行的计算。有时，为了编译时缓存更简单的计算。

编写一个仅在编译时存在的完整的、非平凡的应用程序并不是一件快速完成的事情。

至于细节，成本增加的主要原因是编译时执行必须检测所有未定义的行为。这意味着许多可能只是偏移指针的事情必须更加复杂。堆栈变量不能只是偏移堆栈指针；他们必须明确地跟踪对象的生命周期。以此类推。

编译时执行基本上是解释 C++。没有太多理由让它成为一个特别快速的解释器。大多数编译时操作处理基于类型和简单值的计算，而不是复杂的数据结构。这就是编译器的主要优化目标。

我记得最近有一些噪音通过更好的解释来改进 Clang 的 constexpr 执行。但不知道赚了多少。