Сегодня мы поговорим о том, как constexpr, consteval, и constinit позволяют реализовывать компиляцию на этапе выполнения. Компиляция на этапе выполнения позволяет ускорить выполнение кода за счет выполнения расчетов на этапе компиляции, а не в рантайме.

constexpr делает возможным вычисление значений переменных во время компиляции. Функции и переменные, объявленные с этим ключевым словом, могут быть вычислены на этапе компиляции consteval усиливает концепцию constexpr, требуя обязательного вычисления выражений во время компиляции. constinit используется для инициализации статических и глобальных переменных.

А теперь подробней.

• запрет возврата из функции ссылок на временное значение,
• [[indeterminate]] и уменьшение количества Undefined Behavior,
• диагностика при =delete;,
• арифметика насыщения,
• линейная алгебра (да-да! BLAS и немного LAPACK),
• индексирование variadic-параметров и шаблонов ...[42],
• вменяемый assert(...),
• и другие приятные мелочи.

constexpr auto x = "(4^2-9)/8+2/3"_solve;
std::cout << "Answer is " << x;

В своём выступлении на CppCon 2018 Herb Sutter представил общественности свои наработки по двум направлениям. Во-первых, это контроль времени жизни переменных (Lifetime), который позволит обнаруживать целые классы багов на этапе компиляции. Во-вторых, это обновлённый proposal по метаклассам, которые позволят избежать дублирования кода, один раз описывая поведение категории классов и потом подключая его к конкретным классам одной строчкой.

• Контракты и друзья
• Концепты (без друзей)
• __has_cpp_attribute(unlikely)
• bit_cast<my_stuff>(some_array)
• contains, shift_left, shift_right, ispow2, ceil2… и старые алгоритмы под новым соусом
• atomic_ref
• Что нового можно писать в шаблонах и чем это полезно
• constexpr virtual foo()
• Parallelism 2, Reflection и Executors TS

• user-declared virtual destructor не влияет на тривиальность типа
• Куда можно будет засунуть восклицательный знак и чем это может быть полезно
• constexpr std::regex mail_regex(R"((?:(?:[^<>()\[\].,;:\s@\"]+(?:\.[^<>()\[\].,;:\s@\"]+)*)|\".+\")@(?:(?:[^<>()\[\].,;:\s@\"]+\.)+[^<>()\[\].,;:\s@\"]{2,}))")

constexpr - одно из самых магических ключевых слов в современном C++. Оно дает возможность создать код, который будет выполнен еще до окончания процесса компиляции, что является абсолютным пределом для быстродействия программ.

У constexpr с каждым годом становится больше возможностей. Сейчас использовать в compile-time вычислениях можно почти всю стандартную библиотеку. Пример вычисления числа до 1000 с наибольшим количеством делителей: ссылка на код.

История constexpr насчитывает долгую историю эволюции с ранних версий C++. Исследуя предложения в стандарт и исходники компиляторов, можно понять, как слой за слоем создавалась эта часть языка, почему именно так она выглядит, как на практике вычисляются constexpr-выражения, какие возможности ждут нас в будущем, а какие - могли бы быть, но не были приняты в Стандарт.

Эта статья подходит как тем, кто еще не знает, что такое constexpr, так и тем, кто уже долгое время его использует.

• std::expected — новый механизм сообщения об ошибках без использования исключений и без недостатков кодов возврата.
• constexpr-математика — теперь на этапе компиляции можно доставать разные части чисел с плавающей запятой, копировать знаки и округлять числа.
• std::ranges::to — результаты работы алгоритмов можно легко превратить в контейнер.
• std::views::join_with — добавление разделителя между элементами.

• std::mdspan
• std::flat_map
• std::flat_set
• freestanding
• std::print("Hello {}", "world")
• форматированный вывод ranges
• constexpr для bitset, to_chars/from_chars
• std::string::substr() &&
• import std;
• std::start_lifetime_as
• static operator()
• [[assume(x > 0)]];
• 16- и 128-битные float
• std::generator
• и очень много другого

• улучшенный static_assert,
• переменная _,
• оптимизация и улучшение для std::to_string,
• Hazard Pointer,
• Read-Copy-Update (так же известное как RCU),
• native_handle(),
• целая вереница классов *function*,
• множество доработок по constexpr,
• std::submdspan,
• и прочие приятные мелочи.

Программистам на C++ хорошо (надеюсь!) известно, что во время компиляции можно производить разнообразные вычисления. Лишь бы эти вычисления были "чистыми", без побочных эффектов. Это делается на шаблонах и на constexpr функциях.

Чистое выражение означает, что, сколько бы раз мы его ни попытались вычислить, мы получим один и тот же результат. Поэтому из соображений эффективности результат желательно мемоизировать, чтобы второй раз не делать ту же работу. Но насколько хорошо это умеет делать компилятор?

Для стресс-тестирования возьмём наивную формулу чисел Фибоначчи:

f(n) = (n < 2) ? 1 : f(n-1) + f(n-2)

// C++11
struct NonNegative
{
  int i;
  constexpr int const& get() /*const*/ { return i; }
  int& get() { return i; }
};

Введение

Продолжаю серию публикаций Fil по CppCon 2017. В докладе представлены ранние наработки по добавлению рефлексии и кодогенерации в C++, а также по метаклассам, которые позволят генерировать части классов C++. В стандарт эти новшества попадут не ранее, чем в C++23.