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为什么C++编译器允许将函数声明为constexpr，但实际上并不是constexpr呢？

c++templatesc++11constexprcompile-time
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C++编译器为什么会允许声明一个函数为constexpr，而该函数却不能是constexpr呢？

例如：http://melpon.org/wandbox/permlink/AGwniRNRbfmXfj8r

#include <iostream>
#include <functional>
#include <numeric>
#include <initializer_list>

template<typename Functor, typename T, size_t N>
T constexpr reduce(Functor f, T(&arr)[N]) {
  return std::accumulate(std::next(std::begin(arr)), std::end(arr), *(std::begin(arr)), f);
}

template<typename Functor, typename T>
T constexpr reduce(Functor f, std::initializer_list<T> il) {
  return std::accumulate(std::next(il.begin()), il.end(), *(il.begin()), f);
}

template<typename Functor, typename T, typename... Ts>
T constexpr reduce(Functor f, T t1, Ts... ts) {
  return f(t1, reduce(f, std::initializer_list<T>({ts...})));
}

int constexpr constexpr_func() { return 2; }

template<int value>
void print_constexpr() { std::cout << value << std::endl; }

int main() {
  std::cout << reduce(std::plus<int>(), 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) << std::endl;  // 28
  std::cout << reduce(std::plus<int>(), {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}) << std::endl;// 28

  const int input[3] = {1, 2, 3};   // 6
  std::cout << reduce(std::plus<int>(), input) << std::endl;

  print_constexpr<5>(); // OK
  print_constexpr<constexpr_func()>();  // OK
  //print_constexpr<reduce(std::plus<int>(), {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7})>(); // error 

  return 0;
}

输出：

28
28
6
5
2

为什么即使在C++14和C++1z中，下面这行代码：//print_constexpr<reduce(std::plus<int>(), {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7})>(); // error会出现错误？

为什么编译器允许将reduce()标记为constexpr，但即使在所有传递给reduce()的参数在编译时都已知，reduce()也不能用作模板参数？

一些编译器产生相同的效果 - 支持C++14的编译器-std=c++14:

对于以上所有情况，编译都可以通过，直到出现无用行：//print_constexpr<reduce(std::plus<int>(), {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7})>(); // error

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C++编译器指的是哪个？GCC？Clang？MSVC？版本是多少？ - Torbjörn
3个回答
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为什么C++编译器允许将一个不可能成为constexpr的函数声明为constexpr？实际上并不是这样。你定义的是一个模板，而非一个constexpr函数。现在我们来具体解释一下：
struct Is_constexpr {
  constexpr Is_constexpr() = default;
  constexpr auto bar() {
    return 24;
  }
};

struct Not_constexpr {
  auto bar() {
    return 24;
  }
};

现在，如果您尝试将使用Not_constexpr的函数（而不是模板）定义为constexpr，则编译器将不允许：
constexpr auto foo_function(Not_constexpr v)
{
  return v.bar();
  // error: call to non-constexpr function 'auto Not_constexpr::bar()'
}

你正在定义一个模板。让我们看看这是如何工作的：
template <class T>
constexpr auto foo(T v)
{
  return v.bar();
}

编译器允许您这样做。没有错误。为什么？因为它是一个模板。一些实例可能是constexpr，一些不是，这取决于T：
int main() {
  constexpr Is_constexpr is_c;
  constexpr Not_constexpr not_c;

  std::integral_constant<int, foo(is_c)> a; // OK
  //std::integral_constant<int, foo(not_c)> a; // ERROR

}
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让我们直接从提案开始，www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2007/n2235.pdf中的第4.1节，第三段引用如下：
常量表达式函数可以使用非常量表达式进行调用，在这种情况下，不要求计算结果在编译时评估。
请参阅此问题：何时会对constexpr函数进行编译时评估？ 
template<typename Functor, typename T>
T constexpr reduce(Functor f, std::initializer_list<T> il) {
  return std::accumulate(std::next(il.begin()), il.end(), *(il.begin()), f);
}

正如您所知道的，std::accumulate不是一个constexpr函数。

template<int value>
void print_constexpr() { std::cout << value << std::endl; }

正如您所知，非类型模板参数必须是常量表达式。

现在：

template<typename Functor, typename T>
T constexpr reduce(Functor f, std::initializer_list<T> il) {
  return std::accumulate(std::next(il.begin()), il.end(), *(il.begin()), f);
}

关于为什么它有效：以下是C++标准的说明：[dcl.constexpr/6]（重点在于我）：
如果类模板的成员函数或constexpr函数模板的实例化模板特化将无法满足constexpr函数的要求或constexpr构造函数，那么该特化仍然是constexpr函数或constexpr构造函数，即使不能在常量表达式中调用这样的函数...
注意：这里指出：
从函数模板实例化的函数称为函数模板特化；
当它不是一个模板时，它会失败：
int constexpr reduce(int(*f)(int, int), std::initializer_list<int> il) {
  return std::accumulate(std::next(il.begin()), il.end(), *(il.begin()), f);
}

编译器将会报错，因为你不能在一个被定义为constexpr的函数中调用非constexpr函数。
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如果您编写了这段代码：
  constexpr int result = reduce(std::plus<int>(), {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7});

您会发现reduce不会产生constexpr结果。
原因是因为“note: non-constexpr function 'accumulate >' cannot be used in a constant expression”，正如您在此处所见 - http://en.cppreference.com/w/cpp/algorithm/accumulate std::accumulate不是constexpr的。
编辑以回答实际问题，感谢@peterchen： 当它遇到使用情况时编译，它不会并且不能尝试解析函数，直到编译模板的特定版本。当它遇到使用情况并触发编译时，它解析累加并看到它不是constexpr，因此发出错误。
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谢谢！是的，我知道。但为什么C++编译器允许将函数声明为constexpr reduce() - 如果它永远不可能是constexpr呢？ - Alex
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当代码使用时，它会被编译，直到编译特定版本的模板后才能尝试解析函数。当代码使用并触发编译时，它会解析累加器并发现它不是constexpr，因此会发出错误。 - 1stCLord
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@TheSombreroKid：这是关键点——也许你应该在回复中加上它。 - peterchen
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@Alex 换句话说，错误并非在声明模板时发生，而是在使用特定类型实例化模板时发生。std::accumulate和reduce都可以针对所有使用的类型进行constexpr专门化。这些专门化可以出现在模板声明之后，即编译器可能尚未看到这些内容。 - peterchen
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