constexpr与函数参数转发

序

本文和大家探讨下关于constexpr的函数中参数的现象，以及如果参数是constexpr如何做转发

关于constexpr函数

constexpr是c++11引入的关键字，c++11的constexpr的函数中只是支持单句代码，c++14限制放宽，可以在里边写循环及逻辑判断等语句。

constexpr形容函数表示该函数被编译期计算或者调用。但是只能是可能被编译期计算，举例来说：

c++ 复制代码

constexpr int square(int num) {
    return num * num;
}

假设这里有一个计算平方的函数是constexpr形容，那么我如果这样调用：

c++ 复制代码

int main() {
    int val = square(12);
}

我们可以看下编译后的汇编：

c++ 复制代码

main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 144 // 这里
        mov     eax, 0
        pop     rbp
        ret

可以看到main函数里在运行时根本没有去调用square函数，而是在编译期直接将square函数计算得出144并赋值。也就是说传递参数是字面量（或者constexpr变量）可以被认定是编译期调用。

那么我们如果换一种方式调用呢？

c++ 复制代码

int main() {
    int p = 12;
    int val = square(p);
}

通过参数传递进来，再来看下汇编：

c++ 复制代码

square(int):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        imul    eax, eax
        pop     rbp
        ret
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 12
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     edi, eax
        call    square(int)
        mov     DWORD PTR [rbp-8], eax
        mov     eax, 0
        leave
        ret

略显复杂，不需要关注很多汇编代码，我们只需要知道运行时确实会去执行square函数。

constexpr函数小结

那也就是说constexpr函数并不是完全是编译期执行，编译器其实和你传递的参数或者函数内部的一些逻辑来判断。

constexpr参数传递

这里假设有一个这样的例子：

c++ 复制代码

// ...

struct AddSum {
    void add(int val) {
        constexpr auto sq = square(val);
        sum += sq;
    }
    int sum = 0;
};

int main() {
    constexpr int p = 12;
    AddSum a;
    a.add(p);

    return 0;    
}

需要把一些编译期的数字的平方加起来，在add函数中使用constexpr来接收square的返回值，因为这样可以使得square是编译期执行的，不过可惜的是这里不能通过编译，因为square不能确定val是不是constexpr。但是我们明明传递的就是constexpr的变量。那么问题来了，如何在传参数的时候能够将constexpr的属性进行传递呢？

C++并不支持在形参使用constexpr限制：

c++ 复制代码

// error: Function parameter cannot be constexpr
void add(constexpr int val) { 
    // ...
}

且使用完美转发也不能将constexpr进行传递。

c++ 复制代码

template<typename T>
void add(T&& val) {
     constexpr auto sq = square(val); // error
}

使用非类型模板参数

既然用到了模板，那么我们完全可以将val作为非类型的模板参数进行传递：

c++ 复制代码

template<int val>
void add() {
    constexpr auto sq = square(val);
    sum += sq;
}

如果这里就结束的话，那确实不值得讨论了，非类型模板参数的问题是只能传递一些基本类型，我们自定的类constexpr对象则不能传递。

值内嵌的类型

其实我们可以借助一个helper类，将要传递的值封装在这里类里，然后需要的时候取出来。如下：

c++ 复制代码

struct Helper {
    static constexpr int value() {
        return 12;
    }
};

struct AddSum {
    template<typename H>
    void add(H) {
        constexpr auto sq = square(H::value());
        sum += sq;
    }
    int sum = 0;
};

int main() {
    AddSum a;
    a.add(Helper{});

    return 0;
}

可以看到我们Helper中value用来封装了要传递的int值，然后将Helper的对象传递给add，进一步可以获取到value。

这里不能通用，因为我们需要在helper里写死这个值，又没办法将值传递给helper，感觉又绕回来了。哈哈，这里我们使用宏来定义一个通用的模式：

c++ 复制代码

#define CONSTEXPR_HELPER(...)                 \
struct Helper {                               \
    static constexpr decltype(auto) value() { \
        return __VA_ARGS__;                   \
    }                                         \
};

int main() {
    AddSum a;

    using H = CONSTEXPR_HELPER(12);
    a.add(H{});

    return 0;
}

这种情况下就可以使用任意类型的的constexpr属性进行传递了。同时也可以将值在调用时传递而不是写死。

constexpr的lambda表达式

C++17出现了constexpr形式的lambda表达式，我们可以借助它来实现constexpr的传递

c++ 复制代码

struct AddSum {
    template<typename H>
    void add(H h) {
        constexpr auto sq = square(h());
        sum += sq;
    }
    int sum = 0;
};

int main() {
    AddSum a;
    a.add([](){
        return 12;
    });

    return 0;
}

这里我们使用constexpr的lambda对象传递给add函数，同时传递过来的lambda表达式仍然具有lambda属性，然后调用将值获取到。

这样也就是在C++17版本不需要使用宏来定义内嵌值的类型。

总结

本篇文章就是和大家探讨下constexpr的参数传递的问题，可以使用非类型模板参数，宏定义，lambda表达式做到。

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ref

https://mpark.github.io/programming/2017/05/26/constexpr-function-parameters/