C++23 对部分特性的 constexpr 支持
原创
C++23 对部分特性的 constexpr 支持
原创
在 C++ 编程中，constexpr 关键字自 C++11 引入以来，便致力于让更多的计算在编译时完成，以此提升程序的性能与效率。C++23 进一步拓展了 constexpr 的应用范畴，为 std::bitset、std::unique\_ptr、std::type\_info::operator==、部分 <cmath> 函数以及 std::to\_chars 和 std::from\_chars 的整型重载等带来了 constexpr 支持。下面将详细介绍这些特性在 C++23 中的 constexpr 支持情况。
1. std::bitset (P2417R2)
1.1 概述
std::bitset 是一个固定大小的位序列容器，在 C++23 之前，仅有一个构造函数和 operator[] 被标记为 constexpr。P2417R2 提案对 std::bitset 的 constexpr 接口进行了扩展，鉴于 std::string 能够是 constexpr，std::bitset 的所有内部结构以及完整的 API 如今都能够是 constexpr。
1.2 具体变化
在 C++23 里，std::bitset 的更多构造函数和成员函数被标记为 constexpr。例如：
#include <bitset>
#include <iostream>
int main() {
constexpr short i = 15;
constexpr int numberOfBitsInInt = sizeof(i) \* 8;
// 使用 constexpr 构造 std::bitset
constexpr std::bitset<numberOfBitsInInt> bits(i);
std::cout << "i:" << i << ", i as binary: " << bits << '\n';
return 0;
}在上述代码中，std::bitset 的构造函数被标记为 constexpr，从而能够在编译时构建 bitset 对象。
1.3 优势
这一改进让开发者能够在编译时对 bitset 进行操作和计算，减少运行时的开销。例如，在编译时就能确定位序列的值，进而避免在运行时进行额外的计算。
2. std::unique\_ptr (P2273R3)
2.1 概述
std::unique\_ptr 是一种智能指针，用于管理动态分配的对象，保证对象的所有权唯一。P2273R3 提案被接纳后，std::unique\_ptr 在 C++23 中支持 constexpr。
2.2 具体变化
多个构造函数、析构函数、赋值运算符等都被标记为 constexpr。例如：
#include <memory>
struct Car {
virtual ~Car() = default;
constexpr virtual int speed() const = 0;
};
struct Mercedes : Car {
constexpr int speed() const override { return 5; }
};
struct Toyota : Car {
constexpr int speed() const override { return 6; }
};
struct Tesla : Car {
constexpr int speed() const override { return 9; }
};
constexpr Car\* CreateCar(int i) {
switch(i) {
case 0: return new Mercedes{};
case 1: return new Toyota{};
case 2: return new Tesla{};
}
return nullptr;
}
constexpr int FastestCar() {
int max = -1;
int maxId = -1;
for(int i = 0; i < 3; ++i) {
const auto\* car = CreateCar(i);
if(car->speed() > max) {
max = car->speed();
maxId = i;
}
delete car;
}
return maxId;
}
void Use() {
static\_assert(FastestCar() == 2);
}在这个示例中，CreateCar 和 FastestCar 函数能够在编译时运行，并且 std::unique\_ptr 的相关操作也能够在编译时完成。
2.3 优势
这使得 std::unique\_ptr 可以在编译时进行实例化和操作，有助于在编译时进行更多的检查和优化，减少运行时的错误。
3. std::type\_info::operator== (P1328R1)
3.1 概述
std::type\_info 用于在运行时获取类型信息，而 std::type\_info::operator== 用于比较两个类型信息对象是否指代相同的类型。在 C++23 之前，typeid 虽允许在常量表达式中使用，但得到的 std::type\_info 对象因没有 constexpr 成员函数而无法使用。P1328R1 提案建议将 std::type\_info::operator== 标记为 constexpr。
3.2 具体变化
在 C++23 中，std::type\_info::operator== 被正式标记为 constexpr。例如：
#include <iostream>
#include <typeinfo>
class Base { virtual void foo() {} };
class Derived : public Base {};
int main() {
constexpr bool sameType = (typeid(Base) == typeid(Base));
std::cout << "Same type: " << (sameType ? "Yes" : "No") << std::endl;
return 0;
}在上述代码中，typeid 和 operator== 的比较操作能够在编译时完成。
3.3 优势
这使得在常量表达式中使用 typeid 更具实用性，能够在编译时进行类型比较，提前发现类型不匹配的问题。
4. 一些 <cmath> 函数 (P0533R9)
4.1 概述
<cmath> 头文件包含了众多数学函数。有提案被接受作为 C++23 的一部分，该提案使大量 <cmath> 函数支持 constexpr，不过在 clang/llvm 中尚未实现。
4.2 具体变化
以 std::fmax 为例，可通过以下策略使其支持 constexpr：
inline \_LIBCPP\_HIDE\_FROM\_ABI \_LIBCPP\_CONSTEXPR\_CXX23 float fmax(float \_\_x, float \_\_y) \_NOEXCEPT {
if consteval {
return \_\_builtin\_fmax(\_\_x, \_\_y);
} else {
return ::fmaxf(\_\_x, \_\_y);
}
}在编译时，如果是常量求值，就使用 constexpr 内置函数；否则，使用实际的实现。
4.3 优势
让数学函数能够在编译时进行计算，减少运行时的计算开销，提高程序的性能。
5. std::to\_chars 和 std::from\_chars 的整型重载 (P2291R3)
5.1 概述
std::to\_chars 和 std::from\_chars 是 C++17 引入的用于字符序列和数值之间转换的函数。P2291R3 提案使它们的整型重载支持 constexpr。
5.2 具体变化
在 C++23 中，这些整型重载函数可以在编译时进行转换操作。例如：
#include <charconv>
#include <iostream>
int main() {
char buffer[10];
constexpr int value = 42;
auto result = std::to\_chars(buffer, buffer + sizeof(buffer), value);
if (result.ec == std::errc()) {
std::cout << "Converted value: " << std::string(buffer, result.ptr) << std::endl;
}
return 0;
}在上述代码中，std::to\_chars 的整型重载可以在编译时将整数转换为字符序列。
5.3 优势
在编译时进行字符和数值的转换，能够避免运行时的开销，并且可以在编译时检查转换是否成功，提高程序的安全性。
综上所述，C++23 对这些特性的 constexpr 支持进一步增强了编译时计算的能力，减少了运行时的开销，提高了程序的性能和安全性。开发者可以更充分地利用编译时的计算资源，编写更高效、更安全的代码。
原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
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