从捕获 constexpr 函数返回值的变量中删除 constexpr 会删除编译时计算

removing constexpr from a variable capturing a constexpr function return value removes compile-time evaluation

本文关键字：删除 constexpr 计算 编译 函数 返回值 变量      更新时间：2023-10-16

考虑以下constexpr函数static_strcmp，它使用 C++17 的constexprchar_traits::compare函数：

#include <string>
constexpr bool static_strcmp(char const *a, char const *b) 
{
return std::char_traits<char>::compare(a, b,
std::char_traits<char>::length(a)) == 0;
}
int main() 
{
constexpr const char *a = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";
constexpr const char *b = "abc";
constexpr bool result = static_strcmp(a, b);
return result;
}

Godbolt 表明，这在编译时被评估，并优化为：

main:
xor     eax, eax
ret

从bool result中删除constexpr：

如果我们从constexpr bool result中删除constexpr，现在不再优化调用。

#include <string>
constexpr bool static_strcmp(char const *a, char const *b) 
{
return std::char_traits<char>::compare(a, b,
std::char_traits<char>::length(a)) == 0;
}
int main() 
{
constexpr const char *a = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";
constexpr const char *b = "abc";
bool result = static_strcmp(a, b);            // <-- note no constexpr
return result;
}

Godbolt 表明我们现在调用memcmp：

.LC0:
.string "abc"
.LC1:
.string "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"
main:
sub     rsp, 8
mov     edx, 26
mov     esi, OFFSET FLAT:.LC0
mov     edi, OFFSET FLAT:.LC1
call    memcmp
test    eax, eax
sete    al
add     rsp, 8
movzx   eax, al
ret

添加短路length检查：

如果我们先比较static_strcmp中两个参数的char_traits::length，然后再调用char_traits::compare，而不constexprbool result，调用再次被优化。

#include <string>
constexpr bool static_strcmp(char const *a, char const *b) 
{
return 
std::char_traits<char>::length(a) == std::char_traits<char>::length(b) 
&& std::char_traits<char>::compare(a, b, 
std::char_traits<char>::length(a)) == 0;
}
int main() 
{
constexpr const char *a = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";
constexpr const char *b = "abc";
bool result = static_strcmp(a, b);            // <-- note still no constexpr!
return result;
}

Godbolt 表明我们又回到了正在优化的呼叫中：

main:
xor     eax, eax
ret
  • 为什么从初始调用中删除constexprstatic_strcmp会导致持续评估失败？
  • 显然，即使没有constexpr，对char_traits::length的调用也在编译时被计算，那么为什么不在static_strcmp的第一个版本中没有constexpr相同的行为呢？

我们有三个工作案例：

1)初始化constexpr值需要计算值，或者严格要求编译时已知值(非类型模板参数，C样式数组的大小，static_assert()中的测试，...

2)constexpr函数使用编译时未知的值(例如：从标准输入接收的值。

3)constexpr函数接收编译时已知的值，但结果位于不需要编译时的位置。

如果我们忽略 as-if 规则，我们就会得到：

  • 在情况 (1) 中，编译器必须计算值编译时，因为计算值是编译时必需的

  • 在情况 (2) 中，编译器必须计算值运行时，因为它不可能计算编译时

  • 在情况(3)中，我们处于灰色区域，编译器可以计算值编译时，但计算值不是严格要求的编译时;在这种情况下，编译器可以选择是计算编译时还是运行时。

使用初始代码

constexpr bool result = static_strcmp(a, b);

情况 (1)：编译器必须计算编译时，因为result变量被声明为constexpr。

删除constexpr，

bool result = static_strcmp(a, b); // no more constexpr

您的代码在灰色区域(情况 (3))中转换，其中编译时计算是可能的，但不是严格要求的，因为输入值是已知的编译时(a和b)，但结果 转到不需要编译时的值(普通变量)的地方。因此，编译器可以选择，并且在您的情况下，选择具有函数版本的运行时计算，以及具有另一个版本的编译时计算。

请注意，标准中没有任何内容明确要求在编译时调用constexpr函数，请参阅最新草案中的 9.1.5.7：

对 constexpr 函数的调用产生与调用相同的结果在所有方面等效的非 constexpr 函数，除了 (7.1) 对 constexpr 函数的调用可以出现在常量表达式中，并且 (7.2) 复制省略不在常量表达式中执行 ([class.copy.elision])。

(强调我的)

现在，当调用出现在常量表达式中时，编译器无法避免在编译时运行该函数，因此它尽职尽责地履行义务。当它没有时(如在您的第二个代码段中)，这只是缺少优化的情况。这里不乏这样的人。

程序具有未定义的行为，因为您总是比较strlen(a)字符。字符串b没有那么多字符。

如果将字符串修改为长度相等(以便程序定义明确)，则程序将按预期进行优化。

所以这不是错过优化。编译器将优化程序，但由于它包含未定义的行为，因此不会对其进行优化。

请注意，它是否是未定义的行为，并不是很清楚。考虑到编译器使用memcmp，它认为两个输入字符串必须至少strlen(a)长。所以根据编译器的行为，它是未定义的行为。

以下是当前标准草案对比较的看法：

返回：如果对于 [0， n] 中的每个 i，X：：eq(p[i]，q[i])true;否则，如果对于 [0， n] 中的某些 j，X：：lt(p[j]，q[j])true，对于 [0， j) 中的每个 i，X：

：eq(p[i]，q[i])true，则为负值; 否则为正值。

现在，没有指定是否允许compare读取p[j+1..n)或q[j+1..n)(其中j是第一个差异的索引)。

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