C++的杂七杂八：constexpr与编译期计算

C++的杂七杂八：constexpr与编译期计算

引言

社区（/）里有朋友提出了编译期分割字符串的需求，大家在群里进行了热烈的讨论，也做了许多尝试，但并没有得出确定的结果。本文作者试图对C++11/14里的新关键字constexpr进行编译期计算的总结和探讨，并在最后结合constexpr给出C++在编译期分割字符串的方法。

一、编译期计算

我们先来看一段求阶乘（factorial）的算法：

size_t factorial(size_t n) noexcept
{return (n == 0) ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

很明显，这是一段运行期算法。程序运行的时候，传递一个值，它可以是一个变量，也可以是一个常量：

int main(void)
{std::cout << factorial(10) << std::endl;return 0;
}

如果程序仅仅像这样传递常量，我们可能会希望能够让它完全在编译的时候就把结果计算出来，那么代码改成这样或许是个不错的选择：

template <size_t N>
struct factorial
{enum : size_t { value = N * factorial<N - 1>::value };
};template <>
struct factorial<0>
{enum : size_t { value = 1 };
};int main(void)
{std::cout << factorial<10>::value << std::endl;return 0;
}

只是用起来会稍显麻烦点，但好处是运行期没有任何时间代价。

像上面这种运用模板的做法，算是最简单的模板元编程了。对C++模板来说，类型和值是同一种东西；同时，又由于C++的模板有了“Pattern Matching”（即特化和偏特化），同时又允许模板的递归结构（见上面factorial中使用factorial的情况），于是C++的模板是图灵完全的一种独立于C++的语言。理论上来说，我们可以利用它在编译期完成所有计算——前提是这些计算的输入都是literal的。

二、C++11以后的新限定符：constexpr

从C++11开始，我们有了constexpr specifier。它可以被用于变量，及函数上，像这样：

template <size_t N>
struct t_factorial_
{enum : size_t { value = N * t_factorial_<N - 1>::value };
};template <>
struct t_factorial_<0>
{enum : size_t { value = 1 };
};template <size_t N>
constexpr auto t_factorial = t_factorial_<N>::value;int main(void)
{std::cout << t_factorial<10> << std::endl;return 0;
}

当然了，上面更直接的用法是这样：

constexpr size_t c_factorial(size_t n) noexcept
{return (n == 0) ? 1 : n * c_factorial(n - 1);
}

在C++11中，constexpr还有诸多限制，但到了C++14，它似乎有点过于强大了。比如我们可以在函数中写多行语句，定义变量，甚至是循环：

// runtime version
template <typename T, size_t N>
size_t r_count(T&& v, const T(&arr)[N]) noexcept
{size_t r = 0;for (const auto& a : arr) if (v == a) ++r;return r;
}// constexpr version
template <typename T, size_t N>
constexpr size_t c_count(T&& v, const T(&arr)[N]) noexcept
{size_t r = 0;for (const auto& a : arr) if (v == a) ++r;return r;
}

就如同我们在写的只是一个普通函数，之后在函数的最前面加上constexpr它马上就可以在编译期执行了。

constexpr同样带来了强大的类型计算能力。我们简单的来看个例子，实现一个“types_insert”（Reference：C++的杂七杂八：使用模板元编程操作类型集合）：

template &>
struct types {};template <typename T,  U>
constexpr auto insert(types&>) noexcept
{return types<T, U...>{};
}

可以看到，对于这种简单的类型计算，constexpr比模板元的实现要清晰很多。
不过，由于函数模板缺少偏特化，因此需要编译期分支判断的“types_assign”是没办法直接写出来的（在这里无法短路求值的std::conditional并没有什么用）。要知道，函数重载虽然强大，但仅能做编译期类型，而不是数值的Pattern Matching，这点是不如类模板的偏特化/特化的。

不过我们可以利用类模板的偏特化来模拟函数模板的偏特化：

template <int N, typename T>
struct impl_
{constexpr static auto assign(void) noexcept{return insert<T>(impl_<N - 1, T>::assign());}
};template <typename T>
struct impl_<0, T>
{constexpr static auto assign(void) noexcept{return types<>{};}
};template <int N, typename T>
constexpr auto assign(void) noexcept
{return impl_<N, T>::assign();
}

但是说实话，我并不喜欢这样，这种写法丧失了函数模板的简洁性。一般来说，大家也不会用constexpr做太复杂的类型计算，这里反而用模板元来做会更加清晰些。从上面可以看出来，在做类型计算的时候，return返回的数值并不是我们需要的，而类型结果一般会用decltype取出来。在这种情况下，不使用constexpr，仅用普通函数都是可以的。

真正让人眼前一亮的，应该还是上面c_count的写法。利用模板元做数值计算其实是它的短板。撰写复杂不说，还有不少的局限性。

比如c_count可以这样用：

template <size_t N>
struct Foo { enum : size_t { value = N }; };int main(void)
{std::cout << Foo<c_count(',', "1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0")>::value << std::endl;return 0;
}

而模板元对string literal这类数值做计算是比较麻烦的，template non-type arguments被限制为常整数（包括枚举），或指向外部链接对象的指针（严格来说不止这