什么是双重求值，为什么应该避免使用它？

Question

我看到有人在使用C++的宏

#define max(a,b) (a > b ? a : b)

“double evaluation”可能导致问题。有人能举个例子说明何时会出现双重评估，以及为什么它是不好的吗？

P.S.：令人惊讶的是，在谷歌搜索中我找不到任何详细的解释，除了在Clojure中的一个例子（我无法理解）。

- AnkithD

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我会将这句话翻译为：“我对此的理解与你不同：如果a和b是复杂的或者是函数调用，它们将被评估多次。这对性能来说不好，并且甚至可能导致错误。” - Jean-François Fabre

如果a或b是带有副作用的函数调用会怎样？如果a或b是x++或++x会怎样？ - James M

请考虑以下代码：pips = max(rand(), 5) + 1; // 投掷骰子。这能保证返回一个在[1,6]之间的整数吗？如果max()是涉及双重求值的宏定义，则不能保证。 - njuffa

@JohannesSchaub-litb，这个操作符简单地说“可能导致双重评估”，你显然足够聪明，可以推断出条件语句取决于使用情况，例如max(i, a.pop_and_ret())或max(x++, y++)，在预处理期间会扩展为(x++ > y++ ? x++ : y++)，因此优化器不知道有宏扩展。 - kfsone

除了双重评估问题之外，您的代码还存在运算符优先级问题。您应该在参数周围加上括号以防止出现这种情况。例如：#define max(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b)) - CodesInChaos

Answer 1

想象一下你写了这个：

#define Max(a,b) (a < b ? b : a)

int x(){ turnLeft();   return 0; }
int y(){ turnRight();  return 1; }

然后像这样调用它：

auto var = Max(x(), y());

你知道turnRight()会被执行两次吗？那个宏，Max将会扩展为：

auto var = (x() < y() ? y() : x());

在评估条件 x() < y() 后，程序将根据 y() : x() 之间所需的分支进行操作：在我们的情况下为 true，这会导致对 y() 进行第二次调用。请参见 Live On Coliru。

简单来说，将 表达式 作为参数传递给您的 函数宏 Max 可能会导致该表达式被评估两次，因为该表达式将在宏参数所采用的所有位置上重复使用，在宏定义中使用。记住，宏由预处理器处理。

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所以，底线是，不要使用宏定义函数（实际上在这种情况下是表达式），仅仅因为你想让它变得通用，而可以通过使用函数模板有效地实现。

附注：C++有一个std::max模板函数。

- WhiZTiM

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@PeterMortensen 在C++中一直存在着std::max模板函数，尽管它已经根据最近的C++版本进行了修改。 - WhiZTiM

@PatrickM'Bongo：这两个观点似乎都没有什么意义。std::max<double>(12.f，13.)是消除歧义的正常方式。而且没有任何函数可以延长其参数的生命周期，这不是 C++ 的工作方式。虽然这并不重要：引用直到完整表达式的末尾才会悬空。只有在使用它初始化另一个引用时才会产生影响，那时你显然要对你的引用负责。 - MSalters

@MSalters，您应该意识到，只需将“max”作为可变参数模板采用转发引用而不是当前的无意义方法，这个问题就可以轻松解决，对吧？ - Griwes

在正常情况下，您应该返回common_type_t<Ts...>，因为这可以使用?:免费实现。 - Griwes

注意，在C语言中，gcc和clang支持语句表达式的扩展，可以用于避免双重求值问题。在C++中，我们有其他可用的技术。 - Shafik Yaghmour

Answer 2

a和b在宏定义中出现了两次。因此，如果您将其与具有副作用的参数一起使用，则副作用会执行两次。

max(++i, 4);

如果在调用之前i = 4，将会返回6。因为这不是期望的行为，所以你应该优先使用内联函数来替换这样的宏，比如max。

- Franck

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同时，这并不是未定义行为 ((++i) < (4) ? (++i) (4))，因为在评估第一个 ++i 后存在 序列点。然而，在同一行上对同一变量进行多次增量操作可能通常不是一个好主意。 - Daerdemandt

Answer 3

考虑以下表达式：

 x = max(Foo(), Bar());

其中Foo和Bar是这样的：

int Foo()
{
    // do some complicated code that takes a long time
    return result;
}

int Bar()
{
   global_var++;
   return global_var;
}

然后在原始的max表达式中进行扩展，如下：

 Foo() > Bar() ? Foo() : Bar();

无论哪种情况，Foo或Bar都将被执行两次。因此，所需时间比必要时间长，或者改变程序状态的次数超过预期次数。在我简单的Bar示例中，它不能始终返回相同的值。

- selbie

Answer 4

在C和C++中，宏语言在“预处理”阶段由专用解析器处理。这些标记被翻译，然后输出被馈送到解析器的输入流中。 C或C++解析器本身不识别#define和#include标记。 这一点很重要，因为它意味着当说一个宏被“展开”时，它的意思是字面上的。给定...

#define MAX(A, B) (A > B ? A : B)

int i = 1, j = 2;
MAX(i, j);

C++解析器看到的是

(i > j ? i : j);

然而，如果我们将宏用于更复杂的内容，同样会发生扩展：

MAX(i++, ++j);

被扩展为

(i++ > ++j ? i++ : ++j);

如果我们传入某些东西来进行函数调用：

MAX(f(), g());

这将扩展为：

(f() > g() ? f() : g());

如果编译器/优化器能够证明f()没有副作用，那么它将会把它视为：

auto fret = f();
auto gret = g();
(fret > gret) ? fret : gret;

如果无法避免，那么它将不得不调用两次f()和g()，例如：

#include <iostream>

int f() { std::cout << "f()\n"; return 1; }
int g() { std::cout << "g()\n"; return 2; }

#define MAX(A, B) (A > B ? A : B)

int main() {
    MAX(f(), g());
}

实时演示: http://ideone.com/3JBAmF

同样地，如果我们调用一个extern函数，优化器可能无法避免调用函数两次。

- kfsone