在一个constexpr函数中，静态的constexpr变量

Question

在一个constexpr函数中，静态的constexpr变量

20

constexpr函数中不允许使用static变量。这是有道理的，因为static会向本应是纯函数的函数引入状态。

然而，我不明白为什么我们不能在constexpr函数中有一个static constexpr变量。它保证始终具有相同的值，因此该函数将保持纯净。

为什么我会关心呢？因为在运行时static会产生影响。考虑以下代码：

#include <array>

constexpr int at(const std::array<int, 100>& v, int index)
{
    return v[index];
}

int foo1(int i) {
    static constexpr std::array<int, 100> v = { 
        5, 7, 0, 0, 5  // The rest are zero
    };
    return at(v, i);
}

constexpr int foo2(int i) {
    constexpr std::array<int, 100> v = { 
        5, 7, 0, 0, 5  // The rest are zero
    };
    return at(v, i);
}

int foo2_caller(int i) {
    return foo2(i);
}

实时链接: https://gcc.godbolt.org/z/umdXgv

foo1具有3个汇编指令，因为它将缓冲区存储在静态存储中。而foo2具有15个汇编指令，因为每次调用都需要分配和初始化缓冲区，编译器无法对其进行优化。

请注意，foo1只是为了显示foo2中的缺陷。我想编写一个既能在编译时又能在运行时使用的函数。这就是foo2的想法。但是我们看到它不能像仅限于运行时的foo1那样高效，这很令人不安。

我找到的唯一有意义的相关讨论在这里，但它并没有特别讨论static constexpr。

这些问题是:

我的推理正确吗？还是我错过了static constexpr变量可能引起的问题？
有没有修复这个问题的提案？

- Mikhail

如果你关心运行时性能，为什么不使用 foo1 呢？ - NathanOliver

“foo1” 只是为了展示 “foo2” 中的缺陷，我希望它在编译时和运行时都可用。 - Mikhail

@Mikhail 在编译时不会有任何汇编代码。函数调用将被编译器替换为常量值。 - NathanOliver

1

@NateEldredge 我认为 foo1 仍然不允许在 constexpr 上下文中使用。 - Mikhail

@Mikhail 我在我的答案中添加了一些关于静态存储期的要点。简而言之：这将引入constexpr函数调用之间持久存在的“状态”，而这些函数本来应该是无状态的。这并非不可能实现，只是当前规则会使其变得复杂，并需要进行一些大的更改才能允许它。 - Human-Compiler

显示剩余6条评论

3个回答

5

这样行吗？我将数组放入了一个非类型模板参数中：

template<std::array<int, 100> v = {5, 7, 0, 0, 5}>
constexpr int foo2(int i) {
    return at(v, i);
}

在godbolt上，foo2的反汇编现在与您的foo1相匹配。目前，这仅适用于GCC而不是clang；看起来clang在这里落后于C++20标准（请参见此SO问题）。

- clyne

很有趣，我以前从未见过这种方法。缺点是，这不适用于较大的数组大小或较大的常量集，因为所有初始化都在模板参数列表中。如果需要跨不同函数共享，它也不能很好地实现（但是，这可以移到类模板中）。 - Human-Compiler

2

请注意，它需要 C++20。 - Jarod42

@Human-Compiler：如果需要的话，参数可以在其他地方使用函数或变量进行初始化。但是，如果多个函数需要相同的数据，则使用类会更有意义。 - clyne

2

C++23 中不再是问题，请参见 P2647R1。

- Mikhail

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的

可以查看英文原文，
原文链接

- Human-Compiler · Accepted Answer

如果在constexpr上下文中允许static constexpr变量，则具有静态存储期的对象仅在第一次进入函数时构造。这将导致两种情况之一：要么在编译时执行函数生成存储后备，即使它从未在运行时使用（这将产生非零开销），要么在每次调用时临时创建常量，最终在带有运行时上下文的分支调用时给出存储。这将违反现有静态存储期对象的规则。解决此问题的方法有三种：将常量放入文件作用域、将常量放入struct/class的static常量中，或者将函数作为struct/class的static函数。这些方法都可以用于模板数据，但是第一个方法只适用于C++14（C++11没有变量模板），而第二个和第三个方法可以在C++11中使用。没有我知道的任何修复这个问题的提案。

class foo_util
{
public:
    static constexpr int foo(int i); // calls at(v, i);
private:
    static constexpr std::array<int, 100> v = { ... };
};

编译器资源链接

这将生成与您的foo1方法完全相同的汇编代码，同时仍然允许它是constexpr。

如果将函数放入class或struct中不可能满足您的需求（也许需要成为自由函数？），那么您要么将数据移动到文件作用域（也许受detail命名空间约束的保护下），要么将其放入处理数据的不同struct或class中。后一种方法可以使用访问修饰符和友元来控制数据访问。尽管该解决方案并不像前者那样干净，但它仍然有效。

#include <array>

constexpr int at(const std::array<int, 100>& v, int index)
{
    return v[index];
}

constexpr int foo(int i);
namespace detail {
    class foo_holder
    {
    private:
        static constexpr std::array<int, 100> v = { 
            5, 7, 0, 0, 5  // The rest are zero
        };
        friend constexpr int ::foo(int i);
    };
} // namespace detail

constexpr int foo(int i) {
    return at(detail::foo_holder::v, i);
}

编译器资源链接.

这样一来，与 foo1 生成的汇编代码完全相同，同时仍然可以使其成为 constexpr。