C++11之常量表達(dá)式

C++11有一些這樣的改善，這種改善保證寫出的代碼比以往任何時(shí)候的執(zhí)行效率都要好。這種改善之一就是生成常量表達(dá)式，允許程序利用編譯時(shí)的計(jì)算能力。假如你熟悉模板元編程，你將發(fā)現(xiàn)constexpr使這一切變得更加簡(jiǎn)單。假如你不知道模板元編程，也沒什么。constexpr使我們很容易利用上編譯時(shí)編程的優(yōu)勢(shì)。

常量表達(dá)式主要是允許一些計(jì)算發(fā)生在編譯時(shí)，即發(fā)生在代碼編譯而不是運(yùn)行的時(shí)候。這是很大的優(yōu)化：假如有些事情可以在編譯時(shí)做，它將只做一次，而不是每次程序運(yùn)行時(shí)。需要計(jì)算一個(gè)編譯時(shí)已知的常量，比如特定值的sine或cosin？確實(shí)你亦可以使用庫函數(shù)sin或cos，但那樣你必須花費(fèi)運(yùn)行時(shí)的開銷。使用constexpr，你可以創(chuàng)建一個(gè)編譯時(shí)的函數(shù)，它將為你計(jì)算出你需要的數(shù)值。用戶的電腦將不需要做這些工作。

constexpr初探

為了使函數(shù)獲取編譯時(shí)計(jì)算的能力，你必須指定constexpr關(guān)鍵字到這個(gè)函數(shù)。

constexpr?int?multiply?(int?x,?int?y)
{
????return?x?*?y;
}

//?將在編譯時(shí)計(jì)算
const?int?val?=?multiply(?10,?10?);

除了編譯時(shí)計(jì)算的性能優(yōu)化，constexpr的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它允許函數(shù)被應(yīng)用在以前調(diào)用宏的所有場(chǎng)合。例如，你想要一個(gè)計(jì)算數(shù)組size的函數(shù)，size是10的倍數(shù)。如果不用constexpr，你需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)宏或者使用模板，因?yàn)槟悴荒苡煤瘮?shù)的返回值去聲明數(shù)組的大小。但是用constexpr，你就可以調(diào)用一個(gè)constexpr函數(shù)去聲明一個(gè)數(shù)組。

constexpr?int?getDefaultArraySize?(int?multiplier)
{
????return?10?*?multiplier;
}

int?my_array[?getDefaultArraySize(?3?)?];

constexpr函數(shù)的限制

一個(gè)constexpr有一些必須遵循的嚴(yán)格要求：

函數(shù)中只能有一個(gè)return語句（有極少特例） 只能調(diào)用其它c(diǎn)onstexpr函數(shù) 只能使用全局constexpr變量

注意遞歸并不受限制。但只允許一個(gè)返回語句，那如何實(shí)現(xiàn)遞歸呢？可以使用三元運(yùn)算符（?:)。例如，計(jì)算n的階乘：

constexpr?int?factorial?(int?n)
{
????return?n?>?0???n?*?factorial(?n?-?1?)?:?1;
}

現(xiàn)在你可以使用factorial(2)，編譯器將在編譯時(shí)計(jì)算這個(gè)值，這種方式運(yùn)行更巧妙的計(jì)算，與內(nèi)聯(lián)截然不同。你無法內(nèi)聯(lián)一個(gè)遞歸函數(shù)。

constexpr函數(shù)還有那些特點(diǎn)？

一個(gè)constexpr函數(shù)，只允許包含一行可執(zhí)行代碼。但允許包含typedefs、 using declaration && directives、靜態(tài)斷言等。

constexpr和運(yùn)行時(shí)

一個(gè)聲明為constexpr的函數(shù)同樣可以在運(yùn)行時(shí)被調(diào)用，當(dāng)這個(gè)函數(shù)的參數(shù)是非常量的：

int?n;
cin?>>?n;
factorial(?n?);

這意味著你不需要分別寫運(yùn)行時(shí)和編譯時(shí)的函數(shù)。

編譯時(shí)使用對(duì)象

假如你有一個(gè)Circle類：

class?Circle
{
????public:
????Circle?(int?x,?int?y,?int?radius)?:?_x(?x?),?_y(?y?),?_radius(?radius?)?{}
????double?getArea?()?const
????{
????????return?_radius?*?_radius?*?3.1415926;
????}
????private:
????????int?_x;
????????int?_y;
????????int?_radius;
};

你希望在編譯期構(gòu)造一個(gè)Circle接著算出他的面積。

constexpr?Circle?c(?0,?0,?10?);
constexpr?double?area?=?c.getArea();

事實(shí)證明你可以給Circle類做一些小的修改以完成這件事。首先，我們需要將構(gòu)造函數(shù)聲明為constexpr，接著我們需要將getarea函數(shù)聲明為constexpr。將構(gòu)造函數(shù)聲明為constexpr則運(yùn)行構(gòu)造函數(shù)在編譯期運(yùn)行，只要這個(gè)構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)為常量，且構(gòu)造函數(shù)僅僅包含成員變量的constexpr構(gòu)造（所以默認(rèn)構(gòu)造可以看成constexpr，只要成員變量都有constexpr構(gòu)造）。

class?Circle
{
????public:
????constexpr?Circle?(int?x,?int?y,?int?radius)?:?_x(?x?),?_y(?y?),?_radius(?radius?)?{}
????constexpr?double?getArea?()
????{
????????return?_radius?*?_radius?*?3.1415926;
????}
????private:
????????int?_x;
????????int?_y;
????????int?_radius;
};

constexpr vs const

假如你將一個(gè)成員函數(shù)標(biāo)記為constexpr，則順帶也將它標(biāo)記為了const。如果你將一個(gè)變量標(biāo)記為constexpr，則同樣它是const的。但相反并不成立，一個(gè)const的變量或函數(shù)，并不是constexpr的。

constexpr和浮點(diǎn)數(shù)

到這里我們講到的constexpr功能都可以通過模板元編程實(shí)現(xiàn)。但constexpr支持的一項(xiàng)能力是可以計(jì)算浮點(diǎn)型的數(shù)據(jù)。因?yàn)閐ouble和float不是有效的模板參數(shù)，你不可以輕易的通過模板編譯期計(jì)算浮點(diǎn)數(shù)的值。而constexpr允許編譯期計(jì)算浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)。

權(quán)衡constexpr

C++開發(fā)者早就深受修改一個(gè)頭文件則引發(fā)重新編譯導(dǎo)致編譯緩慢的困擾。而constexpr可能引入增加編譯時(shí)間的風(fēng)險(xiǎn)，但也有一些技術(shù)去降低這種風(fēng)險(xiǎn)。首先，因?yàn)閏onstexpr函數(shù)相同的參數(shù)會(huì)輸出相同的結(jié)果，所以它們可以被memoized，事實(shí)上GCC已經(jīng)支持memoization。

因?yàn)榭梢詫?duì)constexpr函數(shù)memoize,所以用constexpr函數(shù)替換模板函數(shù)的地方，(編譯）性能不會(huì)變得更壞，但代碼會(huì)變得清晰。事實(shí)上，替換掉一部分模板實(shí)例，編譯會(huì)顯著加快。

最后，標(biāo)準(zhǔn)允許編譯器去限制遞歸函數(shù)的級(jí)數(shù)。這樣可以限制深度遞歸的編譯性能損耗。

編譯器支持

constexpr需要編譯器支持編譯期的遞歸，所以也不奇怪支持constexpr的編譯器并不多，就我所知只有G++4.7支持這一特性。[注：到我翻譯時(shí)，intelC++13、Clang3.1也都支持了，不過Vs2013還是不支持]

PS：常量表達(dá)式解決了數(shù)組無法使用函數(shù)返回值定義大小的問題。