在编译时计算C字符串的长度.这真的是constexpr吗

Computing length of a C string at compile time. Is this really a constexpr?

本文关键字：真的 constexpr 编译 计算 字符串      更新时间：2023-10-16

我试图在编译时计算字符串文字的长度。为此，我使用以下代码：

#include <cstdio>
int constexpr length(const char* str)
{
    return *str ? 1 + length(str + 1) : 0;
}
int main()
{
    printf("%d %d", length("abcd"), length("abcdefgh"));
}

一切如预期，程序打印4和8。clang生成的汇编代码表明，结果是在编译时计算的：

0x100000f5e:  leaq   0x35(%rip), %rdi          ; "%d %d"
0x100000f65:  movl   $0x4, %esi
0x100000f6a:  movl   $0x8, %edx
0x100000f6f:  xorl   %eax, %eax
0x100000f71:  callq  0x100000f7a               ; symbol stub for: printf

我的问题是：标准是否保证length函数在编译时进行评估

如果这是真的，那么编译时字符串文字计算的大门就为我打开了……例如，我可以在编译时计算哈希，还有更多。。。

常数表达式不能保证在编译时进行评估，我们只有一段来自C++标准草案5.19常数表达式的非规范性引用，尽管如此：

[…]>[注意：常量表达式可以在翻译--尾注]

您可以将结果分配给constexpr变量，以确保在编译时对其进行评估，我们可以从Bjarne Stroustrup的C++11参考中看到这一点，该参考中说（emphasis mine）：

除了能够在编译时计算表达式之外，我们希望能够要求在编译时对表达式求值时间变量定义前面的constexpr会执行此操作（以及表示常量）：

例如：

constexpr int len1 = length("abcd") ;

Bjarne Stroustrup在这个isocpp博客条目中总结了我们何时可以确保编译时评估，并说：

[…]正确答案-如前所述根据标准，constexpr函数可以除非用作常量表达式，在这种情况下，必须在编译时。为了保证编译时评估，我们必须使用它需要常量表达式（例如，作为数组绑定或作为大小写标签）或使用它来初始化constexpr。我希望没有一个自尊的编译器会错过优化有机会做到我最初所说的："constexpr函数如果其所有参数都是常量，则在编译时进行求值表达式。"

因此，这概述了应该在编译时对其进行评估的两种情况：

  1. 在需要常量表达式的地方使用它，这似乎是标准草案中使用短语shall be ... converted constant expression或shall be ... constant expression的任何地方，例如数组绑定
  2. 使用它来初始化constexpr，正如我上面概述的那样

很容易发现对constexpr函数的调用是导致核心常量表达式还是只是在优化：

在需要常量表达式的上下文中使用它。

int main()
{
    constexpr int test_const = length("abcd");
    std::array<char,length("abcdefgh")> test_const2;
}

让我提出另一个函数，它在编译时计算字符串的长度，而不是递归的。

template< size_t N >
constexpr size_t length( char const (&)[N] )
{
  return N-1;
}

请在ideone上查看此示例代码。

请注意，现代编译器（如gcc-4.x）在编译时对字符串文本执行strlen，因为它通常被定义为一个内部函数。未启用任何优化。尽管结果不是编译时常数。

例如：

printf("%zun", strlen("abc"));

结果：

movl    $3, %esi    # strlen("abc")
movl    $.LC0, %edi # "%zun"
movl    $0, %eax
call    printf

尽管任何合理的编译器都会在启用适当的优化级别时对constexpr函数进行评估，但不能保证在编译时对其进行评估。另一方面，必须在编译时评估模板参数。

我使用以下技巧在编译时强制进行评估。不幸的是，它只适用于整数值（即不适用于浮点值）。

template<typename T, T V>
struct static_eval
{
  static constexpr T value = V;
};

现在，如果你写

if (static_eval<int, length("hello, world")>::value > 7) { ... }

可以确信if语句是一个编译时常数，没有运行时开销。

非常简单：

sizeof("myStringLiteral")做了这项工作。

CCD_ 12内在编译器函数在编译时评估保证。它是一个强大的编译器功能，经常被低估。它适用于C++和C.

注意：您可能需要从size_t转换为int，并减去1，这两项操作都是在编译时完成的：

int test_sizeof_text = (int)(sizeof("1234567")-1);

sizeof("text")是包含终止0的大小，因此字符数为-1。

从C++20开始，您可以使用consteval而不是constexpr来强制执行函数的编译时执行。

维基百科关于广义常数表达式的条目的简短解释：

在函数上使用constexpr会对该函数的功能造成一些限制。首先，该函数必须具有非void返回类型。其次，函数体不能声明变量或定义新类型。第三，主体可能只包含声明、null语句和单个返回语句。必须存在参数值，以便在参数替换之后，return语句中的表达式生成常量表达式。

在函数定义之前使用constexpr关键字指示编译器检查是否满足这些限制。如果是，并且函数是用常量调用的，则返回的值保证是常量，因此可以在需要常量表达式的任何地方使用。

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