Độ dài tính toán của một chuỗi C tại thời điểm biên dịch. Đây có thực sự là một constexpr?

Tôi đang cố gắng tính độ dài của một chuỗi ký tự tại thời điểm biên dịch. Để làm như vậy, tôi đang sử dụng mã sau:

#include <cstdio>

int constexpr length(const char* str)
{
    return *str ? 1 + length(str + 1) : 0;
}

int main()
{
    printf("%d %d", length("abcd"), length("abcdefgh"));
}

Mọi thứ hoạt động như mong đợi, chương trình in ra 4 và 8. Mã hợp ngữ được tạo bởi clang cho thấy rằng kết quả được tính toán tại thời điểm biên dịch:

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

Câu hỏi của tôi: nó có được đảm bảo bởi tiêu chuẩn rằng lengthchức năng sẽ được đánh giá thời gian biên dịch không?

Nếu điều này là đúng, cánh cửa để biên dịch chuỗi thời gian tính toán theo chuỗi nghĩa đen vừa mở ra cho tôi ... ví dụ: tôi có thể tính toán hàm băm tại thời điểm biên dịch và nhiều hơn nữa ...

Các biểu thức hằng số không được đảm bảo sẽ được đánh giá tại thời điểm biên dịch, chúng tôi chỉ có một trích dẫn không chuẩn từ phần chuẩn C ++ dự thảo 5.19 Biểu thức hằng số cho biết điều này mặc dù:

[...]> [Lưu ý: Biểu thức hằng số có thể được đánh giá trong quá trình dịch. — Ghi chú cuối]

Bạn có thể gán kết quả cho constexprbiến để đảm bảo nó được đánh giá tại thời điểm biên dịch, chúng ta có thể thấy điều này từ tham chiếu C ++ 11 của Bjarne Stroustrup có nội dung ( nhấn mạnh của tôi ):

Ngoài việc có thể đánh giá các biểu thức tại thời điểm biên dịch, chúng ta muốn có thể yêu cầu các biểu thức được đánh giá tại thời điểm biên dịch; constexpr đứng trước một định nghĩa biến thực hiện điều đó (và ngụ ý const):

Ví dụ:

constexpr int len1 = length("abcd") ;

Bjarne Stroustrup đưa ra một bản tóm tắt về thời điểm chúng tôi có thể đảm bảo đánh giá thời gian biên dịch trong mục blog isocpp này và nói:

[...] Câu trả lời đúng - như Herb đã nêu - là theo tiêu chuẩn, một hàm constexpr có thể được đánh giá tại thời gian trình biên dịch hoặc thời gian chạy trừ khi nó được sử dụng như một biểu thức hằng, trong trường hợp đó, nó phải được đánh giá tại thời gian biên dịch. -thời gian. Để đảm bảo đánh giá thời gian biên dịch, chúng ta phải sử dụng nó khi cần biểu thức hằng số (ví dụ: như một mảng bị ràng buộc hoặc như một nhãn trường hợp) hoặc sử dụng nó để khởi tạo một constexpr. Tôi hy vọng rằng không có trình biên dịch tự trọng nào bỏ lỡ cơ hội tối ưu hóa để thực hiện những gì tôi đã nói ban đầu: "Một hàm constexpr được đánh giá tại thời điểm biên dịch nếu tất cả các đối số của nó là biểu thức không đổi."

Vì vậy, điều này nêu ra hai trường hợp cần được đánh giá tại thời điểm biên dịch:

1. Sử dụng nó khi cần có một biểu thức hằng số, điều này dường như có ở bất kỳ đâu trong tiêu chuẩn nháp nơi cụm từ shall be ... converted constant expressionhoặc shall be ... constant expressionđược sử dụng, chẳng hạn như một giới hạn mảng.
2. Sử dụng nó để khởi tạo một constexprnhư tôi đã phác thảo ở trên.

Thực sự dễ dàng để tìm hiểu xem một lệnh gọi constexprhàm dẫn đến một biểu thức hằng số cốt lõi hay chỉ đơn thuần là được tối ưu hóa:

Sử dụng nó trong ngữ cảnh yêu cầu biểu thức hằng.

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

Chỉ cần lưu ý rằng các trình biên dịch hiện đại (như gcc-4.x) thực hiện strlenđối với các chuỗi ký tự tại thời điểm biên dịch vì nó thường được định nghĩa là một hàm nội tại . Không có tối ưu hóa nào được bật. Mặc dù kết quả không phải là hằng số thời gian biên dịch.

Ví dụ:

printf("%zu\n", strlen("abc"));

Kết quả trong:

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

Hãy để tôi đề xuất một hàm khác tính toán độ dài của một chuỗi tại thời điểm biên dịch mà không cần đệ quy.

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

Hãy xem mã mẫu này tại Ideone .

Không có gì đảm bảo rằng một constexprchức năng được đánh giá tại thời điểm biên dịch, mặc dù bất kỳ trình biên dịch hợp lý nào sẽ thực hiện nó ở các mức tối ưu hóa thích hợp được kích hoạt. Mặt khác, các tham số mẫu phải được đánh giá tại thời điểm biên dịch.

Tôi đã sử dụng thủ thuật sau để buộc đánh giá tại thời điểm biên dịch. Thật không may, nó chỉ hoạt động với các giá trị tích phân (tức là không hoạt động với các giá trị dấu phẩy động).

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

Bây giờ, nếu bạn viết

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

bạn có thể chắc chắn rằng ifcâu lệnh là một hằng số thời gian biên dịch mà không có chi phí thời gian chạy.

Giải thích ngắn gọn từ mục nhập Wikipedia về Biểu thức hằng số tổng quát :

Việc sử dụng constexpr trên một hàm đặt ra một số hạn chế về những gì hàm đó có thể làm. Đầu tiên, hàm phải có kiểu trả về không void. Thứ hai, thân hàm không thể khai báo biến hoặc định nghĩa kiểu mới. Thứ ba, phần thân chỉ có thể chứa các khai báo, câu lệnh null và một câu lệnh trả về duy nhất. Phải tồn tại các giá trị đối số sao cho sau khi thay thế đối số, biểu thức trong câu lệnh trả về tạo ra một biểu thức không đổi.

Việc có constexprtừ khóa trước định nghĩa hàm sẽ hướng dẫn trình biên dịch kiểm tra xem những giới hạn này có được đáp ứng hay không. Nếu có, và hàm được gọi với một hằng số, giá trị trả về được đảm bảo là không đổi và do đó có thể được sử dụng ở bất cứ nơi nào yêu cầu biểu thức hằng số.