Эффективный и современный С++. 42 рекомендации по использованию С++11 и С++14 - [44]

• Когда constexpr-функция вызывается с одним или несколькими значениями, неизвестными во время компиляции, она действует так же, как и обычная функция, выполняя вычисления во время выполнения. Это означает, что вам не нужны две функции для выполнения одних и тех же операций, одной — для констант времени компиляции, другой — для всех прочих значений. Функция, объявленная как constexpr, выполняет их все.

Предположим, что нам нужна структура данных для хранения результатов эксперимента, который может быть проведен при разных условиях. Например, уровень освещения в ходе эксперимента может быть высоким, низким или освещение может быть отключено вовсе; может быть разная температура, и т.д. Если всего имеется n условий, влияющих на проведение эксперимента, и у каждого по три возможных состояния, то общее количество комбинаций составит 3ⁿ. Хранение результатов экспериментов для всех комбинаций условий требует структуры данных с достаточным количеством памяти для хранения 3ⁿ значений. В предположении, что каждый результат представляет собой int и что n известно (или может быть вычислено) во время компиляции, подходящим выбором структуры данных может быть std::array. Однако нам требуется способ вычисления 3ⁿ во время компиляции. Стандартная библиотека С++ предоставляет функцию std::pow, обеспечивающую интересующую нас математическую функциональность, но с точки зрения наших целей имеются две проблемы. Во-первых, std::pow работает с типами с плавающей точкой, а нам нужен целочисленный результат. Во-вторых, std::pow не является constexpr (т.e. не гарантирует возврат времени компиляции при переданных ей значениях времени компиляции), так что мы не можем использовать ее для указания размера std::array.

К счастью, мы можем написать функцию pow, которая нам нужна. Как это сделать, я покажу чуть позже, но сначала давайте взглянем, каким образом эта функция может быть объявлена и использована:

constexpr                           // pow является constexpr
int pow(int base, int exp) noexcept // Не генерирует исключений
{
                                    // Ее реализация - ниже
}

constexpr auto numConds = 5;        // Количество условий

std::arraypow(3, numConds)>   // results содержит
 results;                           // 3^numConds элементов

Вспомним, что constexpr перед pow не говорит о том, что pow возвращает константное значение; оно говорит, что если base и exp являются константами времени компиляции, то результат pow может быть использован как константа времени компиляции. Если base и/или exp не являются константами времени компиляции, то результат pow будет вычисляться во время выполнения. Это означает, что pow может быть вызвана не только для вычисления во время компиляции таких вещей, как размер std::array, но и в контексте времени выполнения, как здесь:

auto base = readFromDB("base");    // Эти значения получаются
auto exp = readFromDB("exponent"); // во время компиляции
auto baseToExp = pow(base, exp);   // Вызов функции pow
                                   // во время выполнения

Поскольку функции constexpr должны быть способны возвращать результаты во время компиляции при вызове со значениями времени компиляции, на их реализации накладываются ограничения. Эти ограничения различны в C++11 и С++14.

В С++11 функции constexpr могут содержать не более одной выполнимой инструкции — return. Это выглядит более ограничивающим, чем является на самом деле, поскольку для повышения выразительности constexpr-функций можно использовать две хитрости. Во-первых, можно применять условный оператор “?:” вместо инструкции if-else, а во-вторых, вместо циклов можно использовать рекурсию. Таким образом, функция pow может быть реализована следующим образом:

constexpr int pow(int base, int exp) noexcept {
 return (exp == 0 ? 1 : base * pow(base, exp - 1));
}

Этот код работает, но только очень непритязательный функциональный программист сможет назвать его красивым. В С++ 14 ограничения на constexpr-функции существенно слабее, так что становится возможной следующая реализация:

constexpr int pow(int base, int exp) noexcept // С++14
{
 auto result = 1;
 for (int i = 0; i < exp; ++i) result *= base;
 return result;
}

Функции constexpr ограничены приемом и возвратом только литеральных типов (literal types), которые, по сути, означают типы, могущие иметь значения, определяемые во время компиляции. В С++11 к ним относятся все встроенные типы за исключением void, но литеральными могут быть и пользовательские типы, поскольку конструкторы и прочие функции-члены также могут являться constexpr:

class Point {
public:
 constexpr Point(double xVal = 0, double yVal = 0) noexcept
  : x(xVal), y(yVal) {}

 constexpr double xValue() const noexcept { return x; }
 constexpr double yValue() const noexcept { return y; }

 void setX(double newX) noexcept { x = newX; }
 void setY(double newY) noexcept { y = newY; }
private:
 double x, y;
};

Здесь конструктор Point может быть объявлен как constexpr, поскольку, если переданные ему аргументы известны во время компиляции, значения членов-данных созданного