constexpr對編譯時間影響大嗎？

01-12

在編譯期求值本身得耗時間吧，C++14允許在constexpr函數裡面放置for loop了，這個對編譯時間影響大嗎？

會有影響，但是影響多大呢，我覺得要看編譯器的實現，這個再怎麼大，直覺上應該不會比模板帶來的編譯時間長。不過constexpr很難做，我今天就來解釋一下吧。

首先，我想說，誰知道知乎怎麼開通專欄？？？每次一碰到這樣的好問題，我就想寫文章，如果有專欄，我一下就連接過去了，不用想著要去博客或者公眾號去搞了（博客編譯器教程的代碼我已經開始寫了，不要催我了哈，我知道你們又要來說這個，最近事情是很多）。

首先我想講講C++11的constexpr會有那麼多限制，然後C++14逆天的放鬆了要求。這篇提案出來的時候，大約2013年的時候，我們團隊就已經討論過如何實現C++14放鬆的constexpr，我們當時就說這篇提案真逆天，我們都覺得可能需要抽象出來一個虛擬機來做了，然後我現在也暫時不知道Clang怎麼做的，我後面肯定會去看Clang的代碼怎麼搞的，我很好奇。

對於constexpr我就不細細說了，請直接看鏈接：constexpr specifier (since C++11)，簡單的提一句就說，constexpr聲明的會在編譯期間就搞定，而非放在運行期間。而constexpr不僅可以用於變數，還可以用於函數。由於編譯期間就計算好了，導致最後的代碼可以提高運行效率，而提高的運行效率我曾在這個回答中列舉過一個圖：constexpr和const數組的區別? - 藍色的回答，大家可以點擊過去查看。

對於C++編譯器來說，它不是一個虛擬機，它的主要任務就是把高級代碼翻譯成低級代碼，這其實應該就是它的本職工作，它也沒有義務來知道如何來執行你的代碼，如constexpr一樣，把你的代碼執行出一個結果，這其實本不應該屬於它的工作。但是呢，為了提高代碼的執行效率，我們會有優化器，也會做現在constexpr的類似工作，如constant folding, inlining等。這時候是不是想著constexpr也好做？其實不然。優化器實質需要在低級層次來做，所需要的一般就是IR，如Clang產生的就是LLVM IR。而逆天的constexpr是需要完全在C++前端就搞定，優化器的那一套用不到，他需要在一個比較高的層次來搞定，那麼自然我們想的是虛擬機的思想，而我覺得constexpr的本質其實就是在一個比較高的層次來向編譯器求一個虛擬機出來，然後抽象的執行結果。

所以，如果打破了很多限制，如不限制函數只能返回一條語句這樣的，那這個就基本上是直接往完整虛擬機的節奏一路狂奔的節奏，所幸有這樣的限制讓編譯器的實現要容易一些了（看向微軟的VC++ Compiler，最近VC++ 2015終於開始支持C++11的constexpr了，不容易啊）。

那麼，怎麼來實現這個呢？Hmm...我目前還沒有看Clang這部分代碼，但是如果要做到簡單Case的constexpr，其實逐步降低語法樹可能是一個方法（我們編譯器的實現我沒有看，Clang的也沒有看，GCC的也沒有看，這部分純屬我在猜測可以怎麼實現，特此聲明）

考慮以下代碼

constexpr int foo( int a, int b ) { return a + b; }

int main() { static const int value = foo(4 * sizeof(int), 5); };

這個么，就是這樣的（這裡我默認是32位，int大小是4）

有沒有發現什麼特點？那就是所有的葉子節點都是常量，這就給了我們常量合併帶來了可能。

而你說編譯器裡面怎麼來分解呢？我猜想可能有這樣的東西，如clang_eval( ASTExpr, Variable s)，clang_call(function, params) 這樣就一步一步的執行，然後來做吧。如上文所說，純屬我猜測的實現方法，這也只能應付簡單的Case，真這麼簡單的話，再次看向微軟，直到VC++ 2015才終於實現出來，而你說類似clang_eval，clang_call這樣的東西以前就有沒有相應的一些東西呢？大家可以思考一下，比如模板參......

假如「有影響」是指變慢的話，答案是：不一定。

前陣很火的一篇關於編譯時間的文章就提到了一個神奇的情況。

http://aras-p.info/blog/2017/10/24/Slow-to-Compile-Table-Initializers/

改成constexpr之後編譯時間反而下降了。這是因為constexpr只需要在編譯期算出結果嵌入到代碼里即可。而如果不constexpr，則需要生成一段優化的、線程安全的代碼來計算結果，於是優化這段代碼需要的時間遠遠大於直接算結果所需的時間。

結論：能夠編譯期的東西就讓它編譯期吧。

貼一段代碼

#define BOUND 0xffffb constexpr int foo(int a) { int b = 1; for (int k = 0; k &< a; k++); return b; } int t[foo(BOUND)]; int main() { return 0; }

用clang-3.4編譯可以編譯通過，將BOUND的值改成 0xffffc，無法編譯通過，原因是t數組大小是一個變數。但實際上foo的返回時一個常數1，這說明什麼呢？

Clang在處理constexpr時，在編譯期間用一個C++的計算器計算constexpr的值，並且記錄計算的次數。當次數超過一定值時，這個constexpr退化為非constexpr。因為有這個閾值的存在，所以constexpr在編譯時的計算次數是有上限的。這個上限就是對編譯時間的影響。

別的編譯器我猜差不多。