F.1 -- Funkcje Constexpr

W lekcji 5.6 -- Zmienne Constexpr, wprowadziliśmy słowo kluczowe constexpr , które używaliśmy do tworzenia stałych (symbolicznych) czasu kompilacji. Wprowadziliśmy także wyrażenia stałe, które można oceniać w czasie kompilacji, a nie w czasie wykonywania.

Jednym z wyzwań związanych z wyrażeniami stałymi jest to, że wywołania funkcji normalnej nie są dozwolone w wyrażeniach stałych. Oznacza to, że nie możemy używać takich wywołań funkcji wszędzie tam, gdzie wymagane jest wyrażenie stałe.

Rozważ następujący program:

#include <iostream>

int main()
{
    constexpr double radius { 3.0 };
    constexpr double pi { 3.14159265359 };
    constexpr double circumference { 2.0 * radius * pi };
    
    std::cout << "Our circle has circumference " << circumference << "\n";

    return 0;    
}

Daje to wynik:

Our circle has circumference 18.8496

Posiadanie złożonego inicjatora dla circumference nie jest zbyt dobre (i wymaga utworzenia instancji dwóch zmiennych pomocniczych, radius i pi). Zróbmy więc z tego funkcję:

#include <iostream>

double calcCircumference(double radius)
{
    constexpr double pi { 3.14159265359 };
    return 2.0 * pi * radius;
}

int main()
{
    constexpr double circumference { calcCircumference(3.0) }; // compile error
    
    std::cout << "Our circle has circumference " << circumference << "\n";

    return 0;    
}

Ten kod jest znacznie czystszy. Również się nie kompiluje. Zmienna Constexpr circumference wymaga, aby jej inicjator był wyrażeniem stałym, a wywołanie calcCircumference() nie jest wyrażeniem stałym.

W tym konkretnym przypadku moglibyśmy wykonać circumference nie constexpr, a program się skompiluje. Stracilibyśmy korzyści płynące z wyrażeń stałych, ale przynajmniej program by działał.

Jednak w C++ są inne przypadki (które przedstawimy w przyszłości), w których nie mamy dostępnych alternatywnych opcji i wystarczy tylko wyrażenie stałe. W takich przypadkach naprawdę chcielibyśmy móc korzystać z funkcji, ale wywołania normalnych funkcji po prostu nie będą działać. Co więc mamy zrobić?

Funkcji Constexpr można używać w wyrażeniach stałych

A funkcji constexpr to funkcja, którą można wywoływać w wyrażeniu stałym.

Aby uczynić funkcję funkcją constexpr, po prostu używamy słowa kluczowego constexpr przed powrotem funkcji type.

Oto ten sam przykład co powyżej, ale z użyciem funkcji constexpr:

#include <iostream>

constexpr double calcCircumference(double radius) // now a constexpr function
{
    constexpr double pi { 3.14159265359 };
    return 2.0 * pi * radius;
}

int main()
{
    constexpr double circumference { calcCircumference(3.0) }; // now compiles
    
    std::cout << "Our circle has circumference " << circumference << "\n";

    return 0;    
}

Ponieważ calcCircumference() jest teraz funkcją constexpr, można jej używać w wyrażeniu stałym, takim jak inicjator circumference.

Funkcje Constexpr można oceniać podczas kompilacji time

W lekcji 5.5 -- Wyrażenia stałe zauważyliśmy, że w kontekstach wymagających wyrażenia stałego (takich jak inicjalizacja zmiennej constexpr) wymagane jest wyrażenie stałe do obliczenia w czasie kompilacji. Jeśli wymagane wyrażenie stałe zawiera wywołanie funkcji constexpr, to wywołanie funkcji constexpr musi zostać obliczone w czasie kompilacji.

W naszym przykładzie powyżej zmienna circumference jest constexpr i dlatego wymaga inicjatora wyrażenia stałego. Ponieważ calcCircumference() jest częścią wymaganego wyrażenia stałego, calcCircumference() musi zostać obliczone w czasie kompilacji.

Gdy wywołanie funkcji jest oceniane w czasie kompilacji, kompilator obliczy wartość zwracaną przez wywołanie funkcji w czasie kompilacji, a następnie zastąpi wywołanie funkcji wartością zwracaną.

Więc w naszym przykładzie wywołanie calcCircumference(3.0) zostanie zastąpione wynikiem wywołanie funkcji, czyli 18.8496. Innymi słowy, kompilator to skompiluje:

#include <iostream>

constexpr double calcCircumference(double radius)
{
    constexpr double pi { 3.14159265359 };
    return 2.0 * pi * radius;
}

int main()
{
    constexpr double circumference { 18.8496 };
    
    std::cout << "Our circle has circumference " << circumference << "\n";

    return 0;    
}

Aby obliczyć w czasie kompilacji, muszą być również spełnione dwie inne rzeczy:

• Wywołanie funkcji constexpr musi mieć argumenty znane w czasie kompilacji (np. są wyrażeniami stałymi).
• Wszystkie instrukcje i wyrażenia w funkcji constexpr muszą być oceniane w czasie kompilacji.

Gdy a constexpr (lub consteval) jest oceniana w czasie kompilacji, wszelkie inne wywoływane przez nią funkcje muszą być oceniane w czasie kompilacji (w przeciwnym razie funkcja początkowa nie byłaby w stanie zwrócić wyniku w czasie kompilacji).

Funkcje Constexpr można również ocenić w czasie wykonywania

Funkcje Constexpr można także oceniać w czasie wykonywania i w takim przypadku zwrócą wynik inny niż constexpr. Na przykład:

#include <iostream>

constexpr int greater(int x, int y)
{
    return (x > y ? x : y);
}

int main()
{
    int x{ 5 }; // not constexpr
    int y{ 6 }; // not constexpr

    std::cout << greater(x, y) << " is greater!\n"; // will be evaluated at runtime

    return 0;
}

W tym przykładzie, ponieważ argumenty x i y nie są wyrażeniami stałymi, funkcja nie może zostać rozpoznana w czasie kompilacji. Jednak funkcja nadal będzie rozpoznawana w czasie wykonywania, zwracając oczekiwaną wartość jako wartość inną niż constexpr int.

Przypomnij mi jeszcze raz, dlaczego zależy nam na tym, aby nasze funkcje wykonywały się w czasie kompilacji?

Teraz byłby świetny moment, aby przejrzeć korzyści, jakie mogą zapewnić techniki programowania w czasie kompilacji: 5.5 -- Wyrażenia stałe.