return 语句中的 C++ constexpr 函数

Question

为什么 constexpr 函数不是在编译时求值，而是在运行时在 main 函数的 return 语句中求值？

它试过了

template<int x>
constexpr int fac() {
    return fac<x - 1>() * x; 
} 

template<>
constexpr int fac<1>() {
    return 1; 
} 

int main() {
    const int x = fac<3>();
    return x;
}

结果是

main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 6
        mov     eax, 6
        pop     rbp
        ret

使用 gcc 8.2。但是当我在 return 语句

中调用函数时

template<int x>
constexpr int fac() {
    return fac<x - 1>() * x; 
} 

template<>
constexpr int fac<1>() {
    return 1; 
} 

int main() {
    return fac<3>();
}

我明白了

int fac<1>():
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     eax, 1
        pop     rbp
        ret
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        call    int fac<3>()
        nop
        pop     rbp
        ret
int fac<2>():
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        call    int fac<1>()
        add     eax, eax
        pop     rbp
        ret
int fac<3>():
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        call    int fac<2>()
        mov     edx, eax
        mov     eax, edx
        add     eax, eax
        add     eax, edx
        pop     rbp
        ret

为什么第一个代码在编译时求值，第二个在运行时求值？

我还用 clang 7.0.0 尝试了这两个片段，它们在运行时进行了评估。为什么这对 clang 无效？

所有评估均在 Godbolt 编译器资源管理器中完成。

Answer 1

关于 constexpr 的一个常见误解是它意味着 "this will be evaluated at compile time"¹.

不是。 constexpr 的引入是为了让我们编写自然代码，可以在需要它们的上下文中生成常量表达式。意思是"this must be evaluatable at compile time"，就是编译器会检查的。

因此，如果您编写了一个返回 int 的 constexpr 函数，您可以使用它来计算一个模板参数，一个 constexpr 变量的初始值设定项（如果它是一个 const整数类型）或数组大小。您可以使用该函数获得自然的、声明性的、可读的代码，而不是过去需要求助于旧的元编程技巧。

但是 constexpr 函数仍然是常规函数。 constexpr 说明符并不意味着编译器有 ² 来优化它并在编译时进行常量折叠。最好不要因为这样的提示而混淆。

_{¹ - 感谢 user463035818 的措辞。

² - c++20 和 consteval 是另一回事了:)}

Answer 2

StoryTeller 的回答很好，但我认为可能会略有不同。

和constexpr,分三种情况:

编译时上下文需要结果，例如数组大小。在这种情况下，参数也必须在编译时已知。在编译时评估是可能，至少所有可诊断的错误都会在编译时被发现。
参数仅在运行时已知，编译时不需要结果。在这种情况下，评估必须在运行时间发生。
参数可能在编译时可用，但只有在运行时才需要结果。

第四种组合（参数仅在运行时可用，编译时需要结果）错误；编译器将拒绝此类代码。

现在，在情况 1 和情况 3 中，计算可以在编译时进行，因为所有输入都可用。但是为了方便案例 2，编译器必须能够创建一个运行时间版本，并且它可能决定在其他情况下也使用这个变体 - 如果可以的话。

例如一些编译器在内部支持可变大小的数组，因此即使语言需要编译时数组边界，实现也可能决定不这样做。

return 语句中的 C++ constexpr 函数

C++ constexpr function in return statement

c++

gcc

clang

constexpr