從模板元編程到constexpr(C++)

模板元編程#

#include <cstdint>

template <uint64_t N> struct Fact {
    enum { Value = N * Fact<N - 1>::Value };
};

template <> struct Fact<1> {
    enum { Value = 1 };
};

template <uint64_t N> struct Fib {
    enum { Value = Fib<N - 1>::Value + Fib<N - 2>::Value };
};

template <> struct Fib<1> {
    enum { Value = 1 };
};

template <> struct Fib<2> {
    enum { Value = 2 };
};

template <uint64_t base, uint64_t exp> struct Pow {
    enum { Value = base * Pow<base, exp - 1>::Value };
};

template <uint64_t base> struct Pow<base, 1> {
    enum { Value = base };
};

int main() {
    auto val1 = Fact<10>::Value;
    auto val2 = Fib<20>::Value;
    auto val3 = Pow<2, 10>::Value;
    return 0;
}

如上程式碼片段我們是用模板實現了在編譯期的計算（C++11起支援）。

constexpr#

從C++14開始，支援使用constexpr來修飾函數，這樣如果我們給這個函數傳入常數，那麼將會在編譯器計算；如果傳入變數，只能在執行期計算。這一點可以從生成的組合語言程式碼看出。

#include <cstdint>

constexpr auto fact(uint64_t n) {
    if (n == 1) {
        return n;
    }
    return fact(n-1) * n;
}

int main() {
    constexpr auto val = fact(10);
    return 0;
}

fact(int):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
        cmp     DWORD PTR [rbp-4], 1
        jne     .L2
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        jmp     .L3
.L2:
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        sub     eax, 1
        mov     edi, eax
        call    fact(int)
        imul    eax, DWORD PTR [rbp-4]
.L3:
        leave
        ret
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 32
        mov     DWORD PTR [rbp-20], edi
        mov     QWORD PTR [rbp-32], rsi
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 3628800
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-20]
        mov     edi, eax
        call    fact(int)
        mov     DWORD PTR [rbp-8], eax
        mov     eax, 0
        leave
        ret

constexpr 與模板元編程的比較#

#include <cstdint>

constexpr auto fib(uint64_t n) {
    if (n <= 1) {
        return 1;
    }
    return fib(n-1) + fib(n-2);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    constexpr auto val = fib(40);
    return 0;
}

如果我們採用constexpr這種寫法的話，編譯器會報錯，這是因為這個函數重複計算比較多。

而我們使用下面模板元編程這種寫法的話就可以，這是因為編譯器會對其進行記憶化，省去了重複的計算。

未來編譯器可能會支援constexpr函數的記憶化。

template<uint64_t N> struct Fib {
    enum { Value = Fib<N-1>::Value + Fib<N-2>::Value };
};

template<> struct Fib<1> {
    enum { Value = 1 };
};

template<> struct Fib<0> {
    enum { Value = 1};
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    auto val = Fib<40>::Value;
    return 0;
}

constexpr if#

C++17開始支援constexpr if，這意味著我們可以簡化模板元編程的寫法，省去了實例化初始值。這樣的話即使比較複雜的計算也能夠支援，因為模板元編程有記憶化。

#include <cstdint>

template<uint64_t N> struct Fib {
    static constexpr uint64_t Value = []{
        if constexpr (N <= 1) {
            return 1;
        } else {
            return Fib<N-1>::Value + Fib<N-2>::Value;
        }
    }();
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    constexpr auto val = Fib<40>::Value;
    return 0;
}