C++干货系列——从编译期常量谈到constexpr（二）

最新推荐文章于 2024-10-12 10:41:39 发布

小天狼星不来客

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分类专栏： C++干货系列文章标签： c++

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本文介绍了在C++11标准之前，如何利用编译期常量进行编译期运算，包括字面量、枚举量和sizeof操作符等来源。通过示例展示了如何通过静态成员变量和模板实现编译期计算，并探讨了模板元编程的基本思想，以Fibonacci数列为例展示了模板的编译期计算能力。尽管这种方法在C++11之后有了更好的替代（如constexpr），但在C++11之前，它是实现编译期复杂计算的主要途径。

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C++11标准前的编译期运算

在第一篇文章中，我把主要精力放在了什么是编译期常量，以及编译期常量有什么作用上。在这一篇文章中，我将更详细地介绍编译期常量是如何产生的。之所以要把编译期常量了解的这么透彻，是因为他是编译期运算的基础。在这篇文章中还会讲解我们在C++11 标准前都可以用做哪些**编译期运算（**compile-time calculations），通过了解这些比较原始的方法，我们能够更好地理解C++11标准为编译期运算方面所做的工作。

编译期常量都从哪里来？

在我们的经验中，大部分编译期常量的来源还是字面常量（literals）以及枚举量（enumerations）。比如上一篇文章我写的someStruct<42ul, 'e', GREEN> theStruct;中someStruct的三个模板参数都是常量——分别是整形字面量、char型字面量和枚举常量。

比较典型的编译期常量的来源就是内置的sizeof操作符。编译器必须在编译期就知道一个变量占据了多少内存，所以它的值也可以被用作编译期常量。

 class SomeClass {
   //...
 };
 int const count = 10;  //作为数组的size，编译期常量
 SomeClass theMovie[count] = { /* ... */}; //常量表达式，在编译期计算
 int const otherConst = 26; //只是常量，但不是编译期常量
 
 int i = 419;
 unsigned char buffer[sizeof(i)] = {};   //常量表达式，在编译期计算

另一个经常出现编译期常量最常出现的地方就是静态类成员变量（static class member variables），而枚举常量常常作为它的替换也出现在类中。

 struct SomeStruct{
   static unsigned const size1 = 44;  //编译期常量
   enum { size2 = 45 };  //编译期常量
   int someIntegers[size1];  //常量表达式，在编译期计算
   double someDoubles[size2]; //常量表达式，在编译期计算
 };

与编译期常量对应的概念编译期常量表达式（compile-time constant expression）指的是，值不会改变且在编译期就可以计算出来的表达式。其实更好理解的说法是，任何不是用户自己定义的——而必须通过编译期计算出来的字面量都属于编译期常量表达式。需要注意的是，并不是所有的常量表达式都是编译期常量表达式，只有我们要求编译器计算出来时，才是编译期常量表达式。希望下边这个例子可以做很好的说明：我们通过把p安排在合适的位置——数组的size，强制编译器去计算p的值，即p此时变成了编译期常量表达式。

const int i = 100;        
const int j = i * 200;    //常量表达式，但不是编译期常量表达式

const int k = 100;        
const int p = k * 200;    //是编译期常量表达式，由下边数组确定
unsigned char helper[p] = {}; //要求p是编译期常量表达式，在编译期就需确定

编译期运算

从上边的例子可以看出，有时我们可以通过某些手段去“胁迫”编译器，把运算任务从运行时提前到编译期，这就是编译期运算的原理。正如“常量表达式”这个名字，我们可以做各种各样的编译期运算，实现在编译期就确定一个常量表达式的目的。事实上，由最简单的运算表达式出发，我们可以做到各种各样的编译期运算。比如非常简单：

 int const doubleCount = 10;
 unsigned char doubleBuffer[doubleCount * sizeof(double)] = {};

除此之外，我们也可以用许多其他的操作，比如考虑下边并没有什么意义的代码：

 std::string nonsense(char input) {
   switch(input) {
   case "some"[(sizeof(void*) == 4) ? 0 : 1]:
     return "Aachen";
   default:
     return "Wuhan";
   }
 }

上边的代码并没有什么实际的意义，但是我还是想解释一下。在上一篇文章我们解释过了，switch语句的每一个case label必须是编译期常量，表达式sizeof(void*) == 4的意思是当前系统是不是一个32位系统，这个表达式由于sizeof的原因是常量表达式，判断结果作为三元运算符的第一个参数，最后的case label由当前系统的位数分别是"some"的"s"（是32位系统）或"o"（不是32位系统）。返回的两个字符串分别是我的两个学校的城市。

尽管上边的例子是无意义的，我们仍然可以看出由这种方法写出的常量表达式很难读。我们可以改进可读性，将上边例子改写成：

 std::string nonsense(char input) {
   auto const index = (sizeof(void*) == 4) ? 0 : 1;
   auto const someLabel = "some"[index];
   switch(input) {
   case someLabel:
     return "Aachen";
   default:
     return "Wuhan";
   }
 }

使用模板进行编译期运算

在上篇文章我们提到，实例化模板的参数必须为编译期常数——换句话说编译器会在编译期计算作为实例化模板参数的常量表达式。回忆一下我们可以利用静态成员常量作为编译期常量，我们就可以利用以上特性去把函数模板当成函数来计算，其实这就是模板元编程（template meta programming）方法的雏形。

 template <unsigned N> 
 struct Fibonacci;
 
 template <>
 struct Fibonacci<0> {
   static unsigned const value = 0;   
 };
 
 template <>
 struct Fibonacci<1> {
   static unsigned const value = 1;   
 };
 
 template <unsigned N> 
 struct Fibonacci {
   static unsigned const value = Fibonacci<N-1>::value + Fibonacci<N-2>::value;
 };