我没有观察到 constexpr 的有意义的优化优势

Posted 2023-02-17

【中文标题】我没有观察到 constexpr 的有意义的优化优势

【英文标题】：I do not observe a meaningful optimization advantage of constexpr

【发布时间】：2018-02-19 05:18:32

【问题描述】：

谢谢，我不需要任何书来教我constexpr 的含义。我正在教constexpr，而我的简单示例未能说服学生为什么他们应该通过constexpr 使用编译时计算的优势。

另外请严格避免链接到诸如this 这样没有汇编代码或分析的问题，它们对我的问题毫无意义。

---

我正在寻找一个例子来说明为什么constexpr 完全有用并且不能被忽略。

好吧，在许多情况下，如果 constexpr 被 const 替换，则不会发生任何错误。因此，我设计了以下示例：

main_const.cpp

#include <iostream>
using namespace std;

const int factorial(int N)

    if(N<=1)
        return 1;
    else 
        return N*factorial(N-1);


int main()

    cout<<factorial(10)<<endl;
    return 0;

和

main_constexpr.cpp

#include <iostream>
using namespace std;

constexpr int factorial(int N)

    if(N<=1)
        return 1;
    else 
        return N*factorial(N-1);


int main()

    cout<<factorial(10)<<endl;
    return 0;

但问题是，对于他们前者来说，汇编代码是

main_const.asm

12:main_last.cpp **** int main()
13:main_last.cpp **** 
132                     .loc 1 13 0
133                     .cfi_startproc
134 0000 4883EC08       subq    $8, %rsp
135                     .cfi_def_cfa_offset 16
14:main_last.cpp ****   cout<<factorial(10)<<endl;
136                     .loc 1 14 0
137 0004 BE005F37       movl    $3628800, %esi
137      00
138 0009 BF000000       movl    $_ZSt4cout, %edi
138      00
139 000e E8000000       call    _ZNSolsEi

对于后者来说是

main_constexpr.asm

12:main_now.cpp  **** int main()
13:main_now.cpp  **** 
11                      .loc 1 13 0
12                      .cfi_startproc
13 0000 4883EC08        subq    $8, %rsp
14                      .cfi_def_cfa_offset 16
14:main_now.cpp  ****   cout<<factorial(10)<<endl;
15                      .loc 1 14 0
16 0004 BE005F37        movl    $3628800, %esi
16      00
17 0009 BF000000        movl    $_ZSt4cout, %edi
17      00
18 000e E8000000        call    _ZNSolsEi
18      00

这意味着编译器显然已经使用cosnt 或constexpr 对这两种情况执行了(10!) = 3628800 的常量折叠。

编译通过

g++ -O3 -std=c++17 -Wa,-adhln -g main.cpp>main.asm

尽管在大多数情况下，许多人认为代码现在运行得更快而没有任何调查，考虑到编译器很聪明的事实，我想知道constexpr背后是否有任何真正、诚实和有意义的优化好处？

【问题讨论】：

Difference between `constexpr` and `const`的可能重复

@ar2015：“你读过这个问题吗？”我不确定我是否看到这两个问题之间有特别大的区别。这两个问题最终都在问为什么要使用constexpr。他们只是以不同的方式询问。

@ar2015：“我正在教 constexpr，我的简单示例未能说服学生为什么他们应该通过 constexpr 使用编译时间计算的优势。” 使用此类微不足道的学生在这一点上，示例无法质疑他们被告知要做什么。 constexpr 是一个重要的工具，但在您开始了解模板实例化或其他必须在编译时发生的机制之前，它并不是那么重要。

@ar2015: constexpr 不是关于“优化优势”。这不是为什么要将此功能添加到 C++ 中。

@ar2015：我不在乎什么是“非常普遍的信念”。程序员有很多不真实的“非常普遍的信念”。你受到了“巨大的攻击”，因为你的问题是基于不真实的成见和想法。

【参考方案1】：

为了优化的唯一目的，不可能构造一个constexpr表达式/函数调用序列，编译器不可能优化一个非-constexpr 等价物。这当然是因为constexpr 对其使用有很多要求。任何constexpr 代码都必须内联并且对该翻译单元的编译器可见。递归地，通过所有导致生成constexpr 值的表达式。

同样，constexpr 函数不允许执行诸如分配内存（尚未）、执行低级函数指针操作（尚未）、调用非constexpr 函数以及其他类似的事情会阻止编译器无法在编译时执行它们。

因此，如果您有constexpr 构造，则等效的非constexpr 版本将具有其实现的所有这些相同属性。而且由于编译器必须能够在编译时执行constexpr 代码，它至少在理论上必须能够对非constexpr 等效代码执行相同的操作。

在任何特定情况下是否对其进行优化都无关紧要；这样的事情会随着每个编译器版本而改变。能做到这一点就足够了。

您的问题是您认为constexpr 的主要目的是性能。这是一项优化，以允许您无法做到的事情。

constexpr 在性能中的作用主要在于，通过将函数或变量标记为 constexpr，编译器阻止您执行实现在编译时可能无法执行的操作时间。如果你想跨平台编译时执行，你必须保持在编译时执行的标准定义边界内。

语法意味着编译器会主动阻止你做非constexpr 的事情。您不能意外编写无法在编译时运行的代码。

也就是说，您应该关注的问题不是constexpr 代码是否可以在没有它的情况下以相同的方式编写。这是您是否会在没有关键字的情况下以constexpr 的方式编写代码。对于任何复杂的系统，答案越来越接近“否”，如果没有其他原因，很容易意外地做一些编译器在编译时无法运行的事情。

【参考方案2】：

您必须在 constexpr 表达式中使用它来强制编译时评估：

int main()

    constexpr int fact_10 = factorial(10); // 3628800
    std::cout << fact_10 << std::endl;
    return 0;

否则你依赖编译器优化。

此外，constexpr 允许使用它，而简单的 const 则不允许：

所以假设：

constexpr int const_expr_factorial(int) /*..*/
int factorial(int) /*..*/

你有：

char buffer[const_expr_factorial(5)]; // OK
char buffer[factorial(5)]; // KO, might compile due to VLA extension

std::integral_constant<int, const_expr_factorial(10)> fact_10; // OK
std::integral_constant<int, factorial(10)> fact_10; // KO

【讨论】：

用 g++ 你可以尝试 -pedantic 来禁用我认为的 VLA。