C++23中if consteval / if not consteval (P1938R3) 详解

引言

在C++的发展历程中，编译时计算一直是一个重要的特性，它可以提高程序的性能和安全性。C++20引入了 consteval 和 std::is_constant_evaluated() 等特性，前者用于声明必须在编译期间完成调用的立即函数，后者用于检查当前是否处于常量求值上下文。而在C++23中，进一步引入了 if consteval 和 if not consteval 语法，使得在代码中区分编译时和运行时行为变得更加方便和灵活。本文将详细介绍 if consteval 和 if not consteval 的相关内容，包括语法规则、设计目的、实际应用场景等。

基本概念

consteval 回顾

在介绍 if consteval 和 if not consteval 之前，我们先回顾一下 consteval 的基本概念。consteval 用于声明立即函数，这类函数的调用必须在编译期间完成。如果尝试在运行时调用 consteval 函数，会导致编译错误。它的目标是确保某些逻辑完全在编译时执行，适用于需要强制编译期计算的场景。例如：
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consteval int square(int x) {
    return x * x;
}

constexpr int a = square(5); // 编译时调用
// int b = square(rand()); // 错误：运行时调用

if consteval 和 if not consteval 的定义

if consteval 是C++23引入的编译时条件构造，它允许开发者编写仅在常量求值上下文中执行的代码。而 if not consteval 则是其否定形式，用于编写在非常量求值上下文中执行的代码。

语法规则

if consteval 和 if not consteval 的语法如下：

|------------------------------------------------------|----------------------------------------------------------|
| 语法形式 | 描述 |
| if consteval compound-statement | 如果当前处于常量求值上下文，则执行 compound-statement |
| if consteval compound-statement else statement | 如果当前处于常量求值上下文，则执行 compound-statement；否则执行 statement |
| if not consteval compound-statement | 如果当前处于非常量求值上下文，则执行 compound-statement |
| if not consteval compound-statement else statement | 如果当前处于非常量求值上下文，则执行 compound-statement；否则执行 statement |

其中，compound-statement 是复合语句，通常用花括号 {} 括起来；statement 可以是单个语句或复合语句。

设计目的

解决现有问题

在C++20中，虽然有 std::is_constant_evaluated() 可以用于检查当前是否处于常量求值上下文，但使用起来存在一些问题。例如，开发者可能会在运行时进行判断，导致出现"对即时函数的调用不是常量表达式"的错误。而 if consteval 和 if not consteval 则提供了一种更直接、更安全的方式来区分编译时和运行时行为。

增强代码的可读性和可维护性

使用 if consteval 和 if not consteval 可以使代码更加清晰地表达哪些代码是在编译时执行，哪些是在运行时执行，从而提高代码的可读性和可维护性。

提高代码的性能和安全性

通过在编译时执行一些逻辑，可以避免运行时的开销，提高程序的性能。同时，强制某些操作在编译时完成，也可以增强代码的类型安全性。

使用示例

简单示例

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#include <iostream>

consteval int compile_time_abs(int x) {
    return x < 0 ? -x : x;
}

constexpr int abs(int x) {
    if consteval {  // 仅在编译时求值时执行此分支
        return compile_time_abs(x);
    } else {        // 运行时调用
        return x < 0 ? -x : x;
    }
}

int main() {
    constexpr int a = abs(-5);   // 编译时调用，使用 if consteval 分支
    int b = abs(-10);            // 运行时调用，使用 else 分支
    std::cout << "a: " << a << ", b: " << b << std::endl;
    return 0;
}

在这个示例中，abs 函数根据当前是否处于常量求值上下文，选择不同的执行路径。如果是编译时调用，则使用 compile_time_abs 函数；如果是运行时调用，则直接计算绝对值。

复杂示例

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#include <cmath>
#include <cstdint>
#include <iostream>

constexpr bool is_constant_evaluated() noexcept {
    if consteval { return true; } else { return false; }
}

constexpr bool is_runtime_evaluated() noexcept {
    if not consteval { return true; } else { return false; }
}

consteval std::uint64_t ipow_ct(std::uint64_t base, std::uint8_t exp) {
    if (!base) return base;
    std::uint64_t res{1};
    while (exp) {
        if (exp & 1) res *= base;
        exp /= 2;
        base *= base;
    }
    return res;
}

constexpr std::uint64_t ipow(std::uint64_t base, std::uint8_t exp) {
    if consteval { // 使用编译时友好的算法
        return ipow_ct(base, exp);
    } else {
        return std::pow(base, exp);
    }
}

int main() {
    constexpr std::uint64_t c = ipow(2, 10); // 编译时调用
    std::uint64_t r = ipow(3, 5);            // 运行时调用
    std::cout << "c: " << c << ", r: " << r << std::endl;
    return 0;
}

在这个示例中，ipow 函数根据当前是否处于常量求值上下文，选择不同的幂运算算法。如果是编译时调用，则使用 ipow_ct 函数；如果是运行时调用，则使用 std::pow 函数。

与其他特性的对比

与 if constexpr 的对比

if constexpr 是C++17引入的特性，用于在编译时进行条件判断。它的条件表达式必须是一个常量表达式，并且会在编译时根据条件的值选择执行哪个分支，未被选择的分支会被丢弃。而 if consteval 则是根据当前是否处于常量求值上下文来选择执行路径，它可以在运行时进行判断。例如：
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template <typename T>
constexpr auto get_value() {
    if constexpr (std::is_integral_v<T>) {
        return 42;
    } else {
        return 3.14;
    }
}

constexpr int a = get_value<int>(); // 编译时选择分支

与 std::is_constant_evaluated() 的对比

std::is_constant_evaluated() 是C++20引入的库函数，用于检查当前是否处于常量求值上下文。但使用它时需要注意，可能会在运行时进行判断，导致一些意外的错误。而 if consteval 和 if not consteval 则提供了更直接、更安全的方式来区分编译时和运行时行为。例如：
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constexpr int Add(std::span<const int> sp) {
    if (std::is_constant_evaluated()) {
        // 可能在运行时判断
    }
    if consteval {
        // 仅在编译时判断
    }
}

实际应用场景

编译时反射

在编译时反射中，需要生成类型相关的元信息。使用 if consteval 可以确保这些操作在编译时完成，提高程序的性能。例如：
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// 伪代码示例
template <typename T>
consteval auto get_type_info() {
    // 编译时生成类型信息
    return ...;
}

template <typename T>
constexpr auto print_type_info() {
    if consteval {
        auto info = get_type_info<T>();
        // 处理类型信息
    }
}

数学计算

对于需要确保编译时优化的常量计算，使用 if consteval 可以避免运行时的开销。例如：
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consteval int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

constexpr int a = factorial(5); // 编译时计算

模板元编程

if consteval 可以替代部分模板元编程逻辑，简化代码。例如：
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template <typename T>
constexpr auto process(T value) {
    if consteval {
        // 编译时处理逻辑
    } else {
        // 运行时处理逻辑
    }
}

类型安全操作

通过强制某些类型转换在编译时完成，可以增强代码的类型安全性。例如：
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template <typename T>
constexpr auto convert(T value) {
    if consteval {
        // 编译时类型转换
        return static_cast<...>(value);
    } else {
        // 运行时类型转换
        return ...;
    }
}

总结

C++23中引入的 if consteval 和 if not consteval 语法，为开发者提供了一种更直接、更安全的方式来区分编译时和运行时行为。它可以提高代码的可读性、可维护性、性能和安全性，适用于编译时反射、数学计算、模板元编程、类型安全操作等多种场景。在实际开发中，建议结合最新编译器(如GCC 13+、Clang 16+或MSVC 2022)体验这些特性。