用于编译时数学函数的 constexpr vs 模板？答案

【问题标题】：constexpr vs template for compile-time maths functions?用于编译时数学函数的 constexpr vs 模板？
【发布时间】：2012-08-27 08:05:12
【问题描述】：

我对 C++2011 的新关键字 constexpr 感到很困惑。当我编写编译时函数（尤其是数学函数）时，我想知道在哪里使用 constexpr 以及在哪里使用模板元编程。例如，如果我们采用整数 pow 函数：

// 1 : 
template <int N> inline double tpow(double x)
{
    return x*tpow<N-1>(x);
}
template <> inline double tpow<0>(double x)
{
    return 1.0;
}

// 2 :
constexpr double cpow(double x, int N)
{
    return (N>0) ? (x*cpow(x, N-1)) : (1.0);
}

// 3 :
template <int N> constexpr double tcpow(double x)
{
    return x*tcpow<N-1>(x);
}
template <> constexpr double tcpow<0>(double x)
{
    return 1.0;
}

第二个和第三个函数是等价的吗？什么是最好的解决方案？是否产生相同的结果：

如果 x 在编译时已知
如果 x 在编译时未知

何时使用 constexpr 以及何时使用模板元编程？

编辑 1：修改代码以包含模板的特化

【问题讨论】：

即使模板函数的值在编译时是已知的，它也不是一个常量，也不能在需要常量的地方使用。但是，如果参数是常量，则 constexpr 函数可以保证给您一个常量。

标签： c++ templates c++11 metaprogramming constexpr

【解决方案1】：

我可能不应该这么晚才回答模板元编程问题。但是，我走了。

首先，constexpr 没有在 Visual Studio 2012 中实现。如果你想为 windows 开发，那就算了。我知道，这很糟糕，我讨厌微软不包括它。

除此之外，您可以将很多东西声明为常量，但就“您可以在编译时使用它们”而言，它们并不是真正的“常量”。例如：

const int foo[5] = { 2, 5, 1, 9, 4 };
const int bar = foo[foo[2]]; // Fail!

您认为您可以在编译时从中读取，对吗？没有。但是如果你把它变成一个 constexpr 就可以了。

constexpr int foo[5] = { 2, 5, 1, 9, 4 };
constexpr int bar = foo[foo[2]]; // Woohoo!

Consexpr 非常适合“恒定传播”优化。这意味着如果您有一个变量 X，它是在编译时根据某些条件（可能是元编程）声明的，如果它是一个 constexpr，那么编译器知道它可以在进行优化时“安全地”使用它，例如，删除像 a = (X * y); 这样的指令并将它们替换为 a = 0;如果 X 评估为 0（并且满足其他条件）。

显然这很好，因为对于许多数学函数，常量传播可以为您提供简单（使用）过早优化。

它们的主要用途，而不是深奥的东西（例如使我能够更容易地编写编译时字节码解释器），是能够制作“函数”或可以同时调用和使用的类在编译时和运行时。

基本上，它们只是填补了 C++03 中的一个漏洞，并帮助编译器进行优化。

那么你的三个中哪个是“最好的”？

2 可以在运行时调用，而其他的只能在编译时调用。好甜啊。

还有更多内容。 Wikipedia 为您提供了“constexpr 允许这样做”的非常基本的摘要，但模板元编程可能很复杂。 Consexpr 使它的某些部分变得容易得多。我希望我有一个明确的例子给你，而不是说从数组中读取。

我想，如果你想实现一个用户定义的复数类，一个很好的数学例子。仅使用模板元编程而没有 constexpr 进行编码会复杂一个数量级。

那么什么时候不应该使用 constexpr？老实说，constexpr 基本上是“除 MORE CONST 之外的 const”。您通常可以在使用 const 的任何地方使用它，但有一些注意事项，例如在运行时调用时，如果函数的输入不是 const，函数将如何表现非 const。

嗯。好的，这就是现在的全部。我太累了，不能多说。我希望我对您有所帮助，如果我不是，请随时对我投反对票，我会删除它。

【讨论】：

2 can be called at run-time, whereas the others are compile-time only. -- 这是不正确的。所有函数都可以在运行时调用。在编译时，只计算递归深度，并且 N 应该是第 1 和第 3 的 constexpr。对于第二个 - N 可以是运行时。
对不起，#1 和#3 是编译时模板。您不能在运行时调用此类元模板，它们在编译时被实例化。
被调用和实例化是不同的东西。所有函数模板都在编译时实例化。模板函数的特定实例在运行时被调用。正如我上面所说，所有 OP 函数都可以在运行时调用，如果给定 constexpr 参数，则可以在编译时评估 #2。如果它们是编译时，则不适用于非 constexpr x。

【解决方案2】：

第一个和第三个不正确。编译器将在评估(N>0) ? 之前尝试实例化tpow<N-1>，您将获得无限的模板递归。您需要对N==1（或==0）进行专业化才能使其发挥作用。 2nd 将在编译时和运行时为 xknown 工作。

在您专攻==0 编辑后添加。现在所有函数都将在编译时或运行时工作x。 1st 将始终返回非 constexpr 值。如果 x 和 N 是 constexpr，则 2nd 和 3rd 将返回 constexpr。如果 N 不是 constexpr，则第二个甚至可以工作，其他需要 constexpr N （因此，第二个和第三个不等价）。

constexpr 用于两种情况。当您编写int N=10; 时，N 的值在编译时是已知的，但它不是 constexpr 并且不能用作例如模板参数。关键字 constexpr 明确告诉编译器 N 可以安全地用作编译时值。第二个用途是作为 constexpr 函数。他们使用 C++ 的子集有条件地生成 constexpr 值，并且可以显着简化等效的模板函数。 constexpr 函数的一个缺点是您无法保证编译时评估——编译器可以选择在运行时进行评估。使用模板实现可以保证编译时评估。

【讨论】：