导致运行时执行的 constexpr 函子中的成员

Question

我正在使用函子按以下方式生成编译时计算代码（对于长代码我深表歉意，但这是我发现重现该行为的唯一方法）：

#include <array>
#include <tuple>

template <int order>
constexpr auto compute (const double h)
{
  std::tuple<std::array<double,order>,
         std::array<double,order> > paw{};

  auto xtab = std::get<0>(paw).data();
  auto weight = std::get<1>(paw).data();

  if constexpr ( order == 3 )
              {
            xtab[0] =  - 1.0E+00;
            xtab[1] =    0.0E+00;
            xtab[2] =    1.0E+00;

            weight[0] =  1.0 / 3.0E+00;
            weight[1] =  4.0 / 3.0E+00;
            weight[2] =  1.0 / 3.0E+00;
              }
  else if constexpr ( order == 4 )
              {
            xtab[0] =  - 1.0E+00;
            xtab[1] =  - 0.447213595499957939281834733746E+00;
            xtab[2] =    0.447213595499957939281834733746E+00;
            xtab[3] =    1.0E+00;

            weight[0] =  1.0E+00 / 6.0E+00;
            weight[1] =  5.0E+00 / 6.0E+00;
            weight[2] =  5.0E+00 / 6.0E+00;
            weight[3] =  1.0E+00 / 6.0E+00;
              }

  for (auto & el : std::get<0>(paw))
      el = (el + 1.)/2. * h ;

  for (auto & el : std::get<1>(paw))
    el = el/2. * h ;

  return paw;
}


template <std::size_t n>
class Basis
{
public:

  constexpr Basis(const double h_) :
    h(h_),
    paw(compute<n>(h)),
    coeffs(std::array<double,n>())
  {}

  const double h ;
  const std::tuple<std::array<double,n>,
           std::array<double,n> > paw ;
  const std::array<double,n> coeffs ;

  constexpr double operator () (int i, double x) const
  {
    return 1. ;
  }

}; 

template <std::size_t n,std::size_t p,typename Ltype,typename number=double>
class Functor
{
 public:
  constexpr Functor(const Ltype L_):
    L(L_)
  {}

  const Ltype L ;

  constexpr auto operator()(const auto v) const 
  {
    const auto l = L;
    // const auto l = L();
    std::array<std::array<number,p+1>,p+1> CM{},CM0{},FM{};
    const auto basis = Basis<p+1>(l);
    typename std::remove_const<typename std::remove_reference<decltype(v)>::type>::type w{};

    for (auto i = 0u; i < p + 1; ++i)
      CM0[i][0] += l;
    for (auto i = 0u ; i < p+1 ; ++i)
      for (auto j = 0u ; j < p+1 ; ++j)
        {
          w[i] += CM0[i][j]*v[j];
        }
    for (auto b = 1u ; b < n-1 ; ++b)
      for (auto i = 0u ; i < p+1 ; ++i)
        for (auto j = 0u ; j < p+1 ; ++j)
          {
            w[b*(p+1)+i] += CM[i][j]*v[b*(p+1)+j];
            w[b*(p+1)+i] += FM[i][j]*v[(b+1)*(p+1)+j];
          }
    return w ;
  }
};

int main(int argc,char *argv[])
{
  const auto nel = 4u;
  const auto p = 2u;
  std::array<double,nel*(p+1)> x{} ;
  constexpr auto L = 1.;
  // constexpr auto L = [](){return 1.;};
  const auto A = Functor<nel,p,decltype(L)>(L);
  const volatile auto y = A(x);
  return 0;
}

我使用带有标志的 GCC 8.2.0 进行编译：

-march=native -std=c++1z -fconcepts -Ofast -Wa,-adhln

并且在查看生成的程序集时，计算正在运行时执行。

如果我更改紧接在下面的行注释的两行，我发现代码确实是在编译时执行的，只是volatile变量的值被放在程序集中。

我试图生成一个较小的示例来重现该行为，但代码中的小改动确实在编译时计算。

我以某种方式理解为什么提供 constexpr lambda 有帮助，但我想了解为什么在这种情况下提供 double 不起作用。理想情况下，我不想提供 lambda 表达式，因为它会使我的前端更加混乱。

这段代码是一个非常大的代码库的一部分，所以请忽略代码实际计算的内容，我创建这个示例只是为了展示行为，仅此而已。

在不改变编译时行为的情况下向仿函数提供双精度数并将其存储为 const 成员变量的正确方法是什么？

为什么 compute() 函数中的小修改（例如，其他小修改也是如此）确实会产生编译时代码？

我想了解 GCC 提供这些编译时计算的实际条件是什么，因为我正在使用的实际应用程序需要它。

谢谢！

Answer 1

不确定何时执行代码运行-time 以及何时执行编译时，无论如何 C++ 语言的规则（不仅是 g++ 和忽略 as-if 规则）是constexpr 函数

可以执行运行次并且必须执行运行次当计算值知道运行次（例如：来自标准输入的值）
可以在编译时执行，并且当结果到达严格要求编译时已知值的位置时必须在编译时执行（例如：constexpr 变量的初始化，非类型模板参数, C 风格数组维度, static_assert() 测试)
有一个灰色区域——当编译器知道计算编译时所涉及的值，但计算值没有到达严格要求编译时值的地方时——编译器可以选择是否计算编译-time 或运行-time.

如果您感兴趣

const volatile auto y = A(x);

在我看来，我们处于灰色地带，编译器可以选择是为 y 编译时间还是运行-time 计算初始值。

如果你想要一个 y 初始化编译时，我想你可以获得这个定义它（以及前面的变量）constexpr

  constexpr auto nel = 4u;
  constexpr auto p = 2u;
  constexpr std::array<double,nel*(p+1)> x{} ;
  constexpr auto L = 1.;
  // constexpr auto L = [](){return 1.;};
  constexpr auto A = Functor<nel,p,decltype(L)>(L);
  constexpr volatile auto y = A(x);

Answer 2

for (auto i = 0u; i < p + 1; ++i)
  CM0[i][0] += l;

当 l 是无状态 lambda 类型时，这会将 l 转换为函数类型，然后转换为 bool（整数类型）。这种两步转换是允许的，因为只有一个是 "user defined".

此转换总是产生 1，并且不依赖于 l 的状态。

导致运行时执行的 constexpr 函子中的成员

Members in constexpr functors causing runtime execution

c++

lambda

functor

compile-time

constexpr