C宏在编译时求值

Question

我需要一个宏，在编译时被评估，类似于：

#define FIND_RANGE(x) \
if x>16 \
32 \
elif x>8 \
16 \
elif x>4 \
8 \
elif x>2 \
4 \
elif x>1 \
2 \
else \
1 \
endif \

所以这段代码。

#define S1 FIND_RANGE(7)
unsinged int i = S1;

将被发送到编译器作为

unsinged int i = 8;

这个简单的算法能否在编译时进行评估？

- Danijel

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据我所知，你不能在标准的C或C++中完成这个任务，但是gcc的预处理器有这个功能，也许可以帮到你： - Jabberwocky

（x > 16 ? 32 : x > 8 ? 16 : x > 4 ? 8 等） - M.M

看起来你想要将数字向上舍入至下一个2的幂次方，或者更具体地说，例如。 - Sander De Dycker

@M.M 那个有效，非常感谢。 - Danijel

Answer 1

虽然C语言没有constexpr函数，但是GCC和Clang可以通过-O1选项对简单函数进行编译时计算。相关的优化称为常量折叠。

以下是C语言代码：

#include <stdio.h>

static inline unsigned int findRange(unsigned int x)
{
    if (x > 16)
        return 32;
    else if (x > 8)
        return 16;
    else if (x > 4)
        return 8;
    else if (x > 2)
        return 4;
    else if (x > 1)
        return 2;
    return 1;
}

int main(void)
{
    unsigned int i = findRange(7);
    printf("%u\n", i);
    return 0;
}

将其转换为x86-64汇编代码的结果如下（参考：godbolt.org/g/kVYe0u）：

main:
        sub     rsp, 8
        mov     esi, 8
        mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0
        mov     eax, 0
        call    printf
        mov     eax, 0
        add     rsp, 8
        ret

正如您所看到的，对于findRange的调用被替换为编译时计算出的值。

即使findRange被定义为带有外部链接的普通（非内联）函数也可以使用此方法。

- Grzegorz Szpetkowski

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感谢您的努力。有一个更简单的解决方案，请参考M.M的建议。 - Danijel

@Danijel：M.M的建议很不错，它允许将条件打包到单个表达式中，而不是多个语句中。我的回答的重点是证明，现代编译器会优化代码（产生最终结果），同时代码更易读且更安全（例如考虑SCALE（x ++））。 - Grzegorz Szpetkowski

Answer 2

我认为这并不容易。问题在于预处理器可用的条件语句是以预处理指令的形式出现的。

然而，您可以巧妙地使用#include指令来创建更高级的结构。创建find-range.mac如下：

#if x>16
32
#elif x>8
16
#elif x>4
8
#elif x>2
4
#elif x>1
2
#else
1
#endif
#undef x

然后将其用作：

int i = 
#define x 7
#include "find-range.mac"
;

应该扩展为类似于以下内容：

int i =
8
;

另外一个不完全的技巧是将 FIND_RANGE(x) 替换成 FIND_RANGEx 并定义适当的 FIND_RANGEx。这需要 x 被限制在一个有限的值集合中：

#define FIND_RANGE(x) FIND_RANGE ## x
#define FIND_RANGE1 1
#define FIND_RANGE2 2
#define FIND_RANGE3 4
#define FIND_RANGE4 4
#define FIND_RANGE5 8
#define FIND_RANGE6 8
#define FIND_RANGE7 8
#define FIND_RANGE8 8
// etc...

- skyking

Answer 3

为了消遣一下，我将Sander提到的那个位操作技巧翻译成了一个宏。

#define XS(x,y) (x | (x>>y))
#define FR(x) XS(XS(XS(XS(XS(x-1,1),2),4),8),16)+1

所以FR（7）在编译时应该给出8，依此类推。

（但实际上，Grzegorz Szpetkowski的答案是值得参考的。）

- dbrank0

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抱歉，我没有时间测试这个。由于速度不是问题，我使用了更直接的解决方案：(x > 16 ? 32 : x > 8 ? 16 : x > 4 ? 8等。 - Danijel

当然，我也绝不会将上述宏用于除概念验证之外的任何事情。 - dbrank0

Answer 4

原来这是可行的，甚至很简单：

#define POW00          1.0f
#define POW01          2.0f
#define POW02          4.0f
#define POW03          8.0f
#define POW04         16.0f
#define POW05         32.0f
#define POW06         64.0f
#define POW07        128.0f
#define POW08        256.0f  // use some nicer pow2 constant generation

#define SCALE(x) ( \
x > POW07 ? POW08 : \
x > POW06 ? POW07 : \
x > POW05 ? POW06 : \
x > POW04 ? POW05 : \
x > POW03 ? POW04 : \
x > POW02 ? POW03 : \
x > POW01 ? POW02 : \
x > POW00 ? POW01 : POW00 \
) // end SCALE

例子：

int main()
{
   float a = (float)SCALE(7.0f);
}

这个在编译时被评估为：

float a = 8.0f;

- Danijel