当计算constexpr时抛出异常会发生什么？

Question

在计算用于初始化constexpr的常量表达式时，有可能会抛出异常。例如，下面是一个例子，其中计算常量表达式被防止溢出：

当计算用于初始化constexpr的常量表达式时，有可能会抛出异常。例如，在这里可以看到对常量表达式的计算受到了溢出的保护:

#include <iostream>
#include <stdexcept>

constexpr int g(int n, int n0, int n1) {
    return n == 0? n1: g(n - 1, n1, n0 + n1);
}

constexpr int f(int n) {
    return n < 42? g(n, 0, 1): throw std::out_of_range("too big");
}

int main()
{
    try {
        constexpr int f41 = f(41); // OK: constexpr
        int           f43 = f(43); // OK: throws an exception
        constexpr int f42 = f(42); // not OK but what happens?
    }
    catch (std::exception const& ex) {
        std::cout << "ERROR: " << ex.what() << "\n";
    }
}

第一次调用f()只是展示了一个constexpr可以被计算。第二次调用f()没有用于初始化一个constexpr并抛出一个运行时异常。第三次调用f()用于初始化constexpr，但是由于抛出了异常，这一点永远不会到达。然而，在这种情况下应该发生什么？我希望在catch子句中执行处理程序，但是gcc和clang都会产生编译时错误。

- Dietmar Kühl

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你最近没有问过类似的问题吗？难道抛出表达式的评估不仅会使评估的constexpr函数成为非常量表达式吗？ - dyp

我认为适用[expr.const]/2：如果条件表达式包含“调用constexpr函数的参数，当通过函数调用替换时不产生核心常量表达式”，则条件表达式不是核心常量表达式。 - dyp

@DyP：我之前曾询问过关于在考虑constexpr的情况下从三元运算符中抛出异常的问题（https://dev59.com/kWEi5IYBdhLWcg3w6PvZ）。然而，当异常被抛出和捕获时，我没有预料到会导致编译时错误：毕竟，`constexpr`的初始化永远不会被执行... - Dietmar Kühl

我只能说初始化器不是常量表达式，因此是不合法的。至少这是我的理解。请注意，[expr.const]中包含一个示例，其中constexpr函数被解析为非常量表达式。 - dyp

也许我过分简化这个问题，但我认为clang++错误test.cpp:17:23: error: constexpr variable 'f42' must be initialized by a constant expression相当明显...？ - Joachim Isaksson

@JoachimIsaksson：我理解错误信息。然而，由于在评估“constexpr”变量的初始化程序时抛出了异常，因此代码永远不会进行初始化。我并不是说产生错误而不是异常是错误的（我甚至认为我更喜欢这种方式），但我仍然认为它很奇怪。 - Dietmar Kühl

Answer 1

一个 constexpr 变量的初始化器必须是一个常量表达式（C++11 §7.1.5/9）：

在对象声明中使用 constexpr 指定符将其声明为 const。这样一个对象应该具有字面类型并被初始化。如果它通过构造函数调用进行初始化，[...]。否则，或者如果在引用声明中使用了 constexpr 指定符，则出现在其初始化器中的每个完整表达式都应该是一个常量表达式。

请注意以下常量表达式的要求（§5.19/2）：

除了涉及以下内容的潜在评估子表达式之一以外，条件表达式是一个核心常量表达式，但不考虑未经评估的条件操作的子表达式

• [...]

• 具有实参并且通过函数调用替换（7.1.5）时不产生常量表达式的 constexpr 函数的调用；

• [...]

• 一个 throw-expression (15.1)。

对于 constexpr 函数的函数调用替换定义如下（§7.1.5/5）：

对于 constexpr 函数的调用，函数调用替换 [...] 意味着将每个实参隐式转换为相应的参数类型，就像通过复制初始化一样，将该转换表达式代替函数体中对应参数的每个使用，并[...] 隐式转换生成的返回表达式或 大括号初始化列表 到函数返回类型，就像通过复制初始化一样。这种替换不会改变含义。

如上面所见(§5.19/2)，未被评估的条件操作子表达式不予考虑。 f(42)不是常数表达式，因为当您对f执行函数调用替换时，结果是在被实际评估的条件操作一侧含有一个throw表达式的表达式。 另一方面，对于f(41)，throw会出现在未被评估的那一侧。

因此，程序是不合规的。无论初始化器是否实际到达，程序都不应该编译。

- Joseph Mansfield

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7.1.5/5受CWG 1369（以及可能的其他缺陷）的影响。 - dyp

@DyP 很好注意到，但我不认为它会影响这个解释。 - Joseph Mansfield