为什么这个嵌套的 lambda 不被认为是 constexpr？

Question

我正在尝试使用嵌套的 constexpr lambda 创建柯里化接口，但编译器不认为它是常量表达式。

namespace hana = boost::hana;
using namespace hana::literals;

struct C1 {};

template < typename T,
           std::size_t size >
struct Array {};

constexpr auto array_ = [] (auto size) {
      return [=] (auto type) {
        return hana::type_c<Array<typename decltype(type)::type, size()>>;
      };
    };

int main() {

  constexpr auto c1 = hana::type_c<C1>;
  constexpr auto test = hana::type_c<Array<typename decltype(c1)::type, hana::size_c<100>()>>;
  constexpr auto test2 = array_(hana::size_c<100>)(c1);
}

我之前 post 一个问题，因为我找到了一个不同的最小示例，但这还不够。

错误：

test2.cpp: In instantiation of ‘<lambda(auto:1)>::<lambda(auto:2)> [with auto:2 = boost::hana::type_impl<C1>::_; auto:1 = boost::hana::integral_constant<long unsigned int, 100>]’:
test2.cpp:31:54:   required from here
test2.cpp:20:16: error: ‘__closure’ is not a constant expression
         return hana::type_c<Array<typename decltype(type)::type, size()>>;
                ^~~~
test2.cpp:20:16: note: in template argument for type ‘long unsigned int’ 
test2.cpp: In function ‘int main()’:
test2.cpp:31:18: error: ‘constexpr const void test2’ has incomplete type
   constexpr auto test2 = array_(hana::size_c<100>)(c1);

__closure is not a constant expression ：如果有人能向我解释这个错误，那将是一个很大的帮助。我运行以前遇到过那个错误，但不记得为什么了。

Answer 1

我将您的测试用例缩减为：

#include <type_traits>

constexpr auto f = [](auto size) {
  return [=](){
    constexpr auto s = size();
    return 1;
  };
};

static_assert(f(std::integral_constant<int, 100>{})(), "");

int main() { }

如上面评论所述，发生这种情况是因为 size 不是函数体内的常量表达式。这不是 Hana 特有的。作为解决方法，您可以使用

constexpr auto f = [](auto size) {
  return [=](){
    constexpr auto s = decltype(size)::value;
    return 1;
  };
};

或类似的东西。

Answer 2

问题是您正在尝试在模板非类型参数中 odr-use lambda 捕获的变量之一。

  return hana::type_c<Array<typename decltype(type)::type, size()>>;
//                                                         ^~~~

模板非类型参数必须是常量表达式。在 lambda 内部，您不能在常量表达式中 odr-use 捕获的变量。 lambda 是否为 constexpr 无关紧要。

但是您可以在常量表达式中 odr-使用普通变量，即使它们不是 constexpr 变量。例如，这是合法的：

std::integral_constant<int, 100> i; // i is not constexpr
std::array<int, i()> a; // using i in a constant expression

那么为什么我们不能在常量表达式中 odr-use 捕获的变量呢？我不知道这个规则的动机，但它是在标准中：

[expr.const]

(¶2) A conditional-expression is a core constant expression unless... (¶2.11) in a lambda-expression, a reference to this or to a variable with automatic storage duration defined outside that lambda-expression, where the reference would be an odr-use.

CWG1613 可能有一些线索。

如果我们将内部 lambda 重写为命名 class，我们将遇到一个不同但相关的问题：

template <typename T>
struct Closure {
  T size;
  constexpr Closure(T size_) : size(size_) {}

  template <typename U>
  constexpr auto operator()(U type) const {
    return hana::type_c<Array<typename decltype(type)::type, size()>>;
  }
};
constexpr auto array_ = [] (auto size) {
  return Closure { size };
};

现在的错误是在模板非类型参数中隐式使用 this 指针。

  return hana::type_c<Array<typename decltype(type)::type, size()>>;
//                                                         ^~~~~

为了保持一致性，我将 Closure::operator()() 声明为 constexpr 函数，但这并不重要。禁止在常量表达式中使用 this 指针（[expr.const] ¶2.1）。声明的函数 constexpr 未获得特殊豁免以放宽可能出现在其中的常量表达式的规则。

现在原来的错误更有意义了，因为捕获的变量被转换为 lambda 闭包类型的数据成员，所以使用捕获的变量有点像通过 lambda 自己的间接“this指针”。

这是对代码进行最少更改的解决方法：

constexpr auto array_ = [] (auto size) {
  return [=] (auto type) {
    const auto size_ = size;
    return hana::type_c<Array<typename decltype(type)::type, size_()>>;
  };
};

现在我们在常量表达式之外使用捕获的变量来初始化一个普通变量，然后我们可以在模板非类型参数中使用它。

这个答案已经过几次编辑，所以下面的评论可能会参考以前的修订。

为什么这个嵌套的 lambda 不被认为是 constexpr？

Why is this nested lambda not considered constexpr?

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