constexpr

В версии C++11 появились константные выражения constexpr (constant expression) - этот модификатор подсказывает компилятору, что сущность может быть выполнена и вычислена на этапе компиляции, то есть буквально силами компилятора, а не скомпилированной и запущенной программы. Посмотрим, как оно работает.

Константы и выражения #

constexpr-выражение может содержать только члены, значение которых известно на момент компиляции, и операции между ними:

• Целые и float литералы (непосредственно цифры в коде), bool, nullptr, строковые литералы ("строки")
• Другие constexpr-константы
• Вызов (результат) constexpr-функций и методов классов
• Численные параметры шаблонов
• #define-константы с такими же правилами
• Математические, логические и бинарные операции

Такое выражение может быть присвоено constexpr константе:

#define MY_CONST 3.14f
constexpr int myconstexpr = 5;

constexpr int cnstFunc() {
    return 10;
}

constexpr int myconst = myconstexpr + 123 * MY_CONST * cnstFunc();

Отличие от обычной константы состоит в том, что выражение в любом случае вычисляется компилятором, т.е. даже не попадает в программу после компиляции - только результат в виде числа. Современные IDE, например VS Code (урок), подсвечивают результат, если навести курсор на имя константы - очень удобно, можно отлаживать некоторые конструкции даже не компилируя программу, не говоря о том, чтобы её запускать.

Константы в классе #

В классе можно использовать static constexpr-константы вместо глобальных #define-констант - они не займут места в памяти, но сделают код более читаемым и безопасным, т.к. имена будут инкапсулированы внутри класса:

class Foo {
    static constexpr int FOO_CONST = 123;

   public:
    void foo() {
        int i = FOO_CONST * 10;
    }
};

Эти константы также могут зависеть от параметров шаблона, что избавляет от лишнего кода, если в классе используются математические выражения с парметром шаблона. Например, задаётся размер данных, а в программе нам нужно будет количество блоков по 8 с округлением вверх. Это можно организовать вот так:

template <int size>
class Foo {
    static constexpr int FOO_CHUNKS = (size + 8 - 1) / 8;

   public:
};

Теперь у каждого объекта с разным значением параметра будет своя константа, оптимизированная компилятором.

Функции (C++11) #

constexpr функция может быть вычислена компилятором, если вызывается с известными на момент компиляции аргументами. В то же время, она может вызываться и выполняться как обычная функция в рантайме.

В разных версиях C++ есть разные ограничения на сам код таких функций: чем старше версия - тем меньше ограничений. Рассмотрим версию C++11, т.к. в основном она используется по умолчанию для разработки под МК (AVR, ESP) на момент написания урока. constexpr функция:

• Должна содержать только один return
• Не может содержать for, while, do, if, switch, goto
• Не может содержать вызовов других не-constexpr функций
• Не может создавать локальные переменные
• Не может работать с динамической памятью (new, delete)

А что же тогда она вообще может и как с этим работать? Можно:

• Вызывать другие constexpr функции и классы
• Использовать рекурсивный вызов вместо циклов
• Использовать параметры функции вместо локальных переменных
• Использовать тернарный оператор для ветвления

Чтобы писать более сложный код в таких ограниченных условиях, нужно хорошо освоить рекурсивные конструкции. Например, перепишем для constexpr показанные в том уроке функции. По сути, нужно было просто заменить условие на тернарник:

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

constexpr int power(int base, int exp) {
    return exp ? (base * power(base, exp - 1)) : 1;
}

Вот ещё например функция, позволяющая найти логарифм по основанию 2, т.е. найти число, в которое нужно возвести 2 для получения заданного значения с округлением вниз:

constexpr uint8_t log2(uint32_t v, uint8_t i = 0) {
    return v ? log2(v >> 1, i + 1) : (i ? i - 1 : 0);
}

Может использоваться для хитрых вычислений с оптимизацией деления сдвигом.

constexpr - полезный инструмент, но становится ещё более полезным в свежих версиях C++. Например вот проект constexpr CSV парсера на C++17.

Возможности в версиях #

Полезные страницы #

• Набор GyverKIT – наш большой стартовый набор Arduino, продаётся в России
• Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress
• Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту ([email protected])
• Поддержать автора за работу над уроками