C++ 编译时间计数器，再访

Question

TL;DR

在您尝试阅读整篇文章之前 post，请了解：

提出问题的解决方案，但我仍然很想知道分析是否正确；
我已将解决方案打包成 fameta::counter class 解决了一些剩余的怪癖。你可以 find it on github;
你可以在work on godbolt看到它。

这一切是如何开始的

自 2015 年 Filip Roséen discovered/invented 以来，黑魔法 compile time counters via friend injection are in C++, I have been mildly obsessed with the device, so when the CWG decided that functionality had to go 我很失望，但仍然希望通过向他们展示一些引人注目的用例来改变他们的想法。

然后，几年前我决定再看看这东西，所以 uberswitches could be nested - an interesting use case, in my opinion - only to discover that it wouldn't work any longer with the new versions of the available compilers, even though issue 2118 是（并且 仍然是 ）处于打开状态：代码可以编译，但计数器不会增加。

问题已报告on Roséen's website and recently also on Whosebug: Does C++ support compile-time counters?

几天前我决定再次尝试解决这些问题

我想了解编译器发生了什么变化，使得看似仍然有效的 C++ 不再工作。为此，我在互联网上广泛搜索，寻找有人谈论过它，但无济于事。因此，我已经开始试验并得出了一些结论，我将这些结论展示在这里，希望能从周围知识渊博的人那里得到反馈。

为了清楚起见，下面我将展示 Roséen 的原始代码。有关其工作原理的解释，请 refer to his website:

template<int N>
struct flag {
  friend constexpr int adl_flag (flag<N>);
};

template<int N>
struct writer {
  friend constexpr int adl_flag (flag<N>) {
    return N;
  }

  static constexpr int value = N;
};

template<int N, int = adl_flag (flag<N> {})>
int constexpr reader (int, flag<N>) {
  return N;
}

template<int N>
int constexpr reader (float, flag<N>, int R = reader (0, flag<N-1> {})) {
  return R;
}

int constexpr reader (float, flag<0>) {
  return 0;
}

template<int N = 1>
int constexpr next (int R = writer<reader (0, flag<32> {}) + N>::value) {
  return R;
}

int main () {
  constexpr int a = next ();
  constexpr int b = next ();
  constexpr int c = next ();

  static_assert (a == 1 && b == a+1 && c == b+1, "try again");
}

对于 g++ 和 clang++ 最近的编译器，next() 总是 returns 1. 经过一些试验，至少 g++ 的问题似乎是，一旦编译器评估了函数模板第一次调用函数时的默认参数，对这些函数的任何后续调用都不会触发对默认参数的重新评估，因此永远不会实例化新函数，而是始终引用先前实例化的函数。

第一题

你真的同意我的这个诊断吗？
如果是，这个新行为是标准强制要求的吗？上一个是bug吗？
如果不是，那是什么问题？

考虑到上述情况，我想出了一个解决方法：用单调递增的唯一 ID 标记每个 next() 调用，以传递给被调用者，这样就不会有相同的调用，因此强制编译器每次重新评估所有参数。

这样做似乎是一种负担，但考虑到这一点，我们可以只使用隐藏在 counter_next() 中的标准 __LINE__ 或类似 __COUNTER__ 的（只要可用）宏类似函数的宏。

所以我想到了以下内容，我以最简化的形式展示了我稍后将讨论的问题。

template <int N>
struct slot;

template <int N>
struct slot {
    friend constexpr auto counter(slot<N>);
};

template <>
struct slot<0> {
    friend constexpr auto counter(slot<0>) {
        return 0;
    }
};

template <int N, int I>
struct writer {
    friend constexpr auto counter(slot<N>) {
        return I;
    }

    static constexpr int value = I-1;
};

template <int N, typename = decltype(counter(slot<N>()))>
constexpr int reader(int, slot<N>, int R = counter(slot<N>())) {
    return R;
};

template <int N>
constexpr int reader(float, slot<N>, int R = reader(0, slot<N-1>())) {
    return R;
};

template <int N>
constexpr int next(int R = writer<N, reader(0, slot<N>())+1>::value) {
    return R;
}

int a = next<11>();
int b = next<34>();
int c = next<57>();
int d = next<80>();

你可以在godbolt上观察上面的结果，我已经截图给懒人了。

如您所见，在 7.0.0 之前使用 trunk g++ 和 clang++ 可以正常工作！，计数器按预期从 0 增加到 3，但是 对于高于 7.0.0 的 clang++ 版本，它不会.

雪上加霜的是，我实际上设法让 clang++ 在 7.0.0 版之前崩溃，方法是简单地向混合中添加一个“上下文”参数，这样计数器实际上绑定到该上下文，并且因此，可以在定义新上下文时随时重新启动，这为使用潜在无限数量的计数器提供了可能性。使用此变体，7.0.0 版以上的 clang++ 不会崩溃，但仍然不会产生预期的结果。 Live on godbolt.

由于对发生的事情一无所知，我发现 cppinsights.io website, that lets one see how and when templates get instantiated. Using that service 我认为正在发生的事情是 clang++ 没有实际上定义任何每当实例化 writer<N, I> 时，friend constexpr auto counter(slot<N>) 就会起作用。

尝试为任何应该已经实例化的给定 N 显式调用 counter(slot<N>) 似乎为该假设提供了基础。

但是，如果我尝试为任何应该已经实例化的给定 N 和 I 显式实例化 writer<N, I>，则 clang++ 会抱怨重新定义 friend constexpr auto counter(slot<N>) .

为了测试上面的内容，我在之前的源代码中添加了两行。

int test1 = counter(slot<11>());
int test2 = writer<11,0>::value;

你可以自己看看on godbolt。屏幕截图如下。

所以，看起来 clang++ 认为它定义了一些它认为它没有定义的东西，这让你头晕，不是吗？

第二批题目

我的 解决方法 是否完全合法的 C++，还是我设法发现了另一个 g++ 错误？
如果它是合法的，我是否因此发现了一些讨厌的 clang++ 错误？
还是我只是深入研究了未定义行为的黑暗地下世界，所以我自己才是唯一的罪魁祸首？

无论如何，我会热烈欢迎任何想帮助我走出这个兔子洞的人，如果需要的话，我会给出令人头疼的解释。 :D

Answer 1

经过进一步调查，发现可以对 next() 函数执行一个小的修改，这使得代码在 7.0.0 以上的 clang++ 版本上正常工作，但停止工作所有其他 clang++ 版本。

看看下面的代码，摘自我以前的解决方案。

template <int N>
constexpr int next(int R = writer<N, reader(0, slot<N>())+1>::value) {
    return R;
}

如果你注意一下，它字面上所做的是尝试读取与slot<N>关联的值，将其加1，然后关联这个新的非常相同 slot<N> 的值。

当 slot<N> 没有关联值时，将检索与 slot<Y> 关联的值，Y 是小于 N 的最高索引，这样 slot<Y> 有关联值。

上面代码的问题在于，即使它在 g++ 上运行，clang++（我会说是正确的吗？）使 reader(0, slot<N>()) 永久 return 当 slot<N> 没有相关值时，无论它 return 是什么。反过来，这意味着所有插槽都与基值 0.

有效关联

解决办法是把上面的代码改成这样：

template <int N>
constexpr int next(int R = writer<N, reader(0, slot<N-1>())+1>::value) {
    return R;
}

请注意，slot<N>() 已修改为 slot<N-1>()。这是有道理的：如果我想将一个值关联到 slot<N>，这意味着尚未关联任何值，因此尝试检索它是没有意义的。此外，我们要增加一个计数器，与 slot<N> 关联的计数器的值必须是与 slot<N-1>.

关联的值的一加

尤里卡！

不过，这会破坏 <= 7.0.0 的 clang++ 版本。

结论

在我看来，我发布的原始解决方案存在概念错误，例如：

g++ 有 quirk/bug/relaxation 抵消了我的解决方案的错误并最终使代码仍然有效。
clang++ 版本 > 7.0.0 更严格，不喜欢原始代码中的错误。
clang++ 版本 <= 7.0.0 有一个错误，导致更正的解决方案不起作用。

综上所述，以下代码适用于所有版本的 g++ 和 clang++。

#if !defined(__clang_major__) || __clang_major__ > 7
template <int N>
constexpr int next(int R = writer<N, reader(0, slot<N-1>())+1>::value) {
    return R;
}
#else
template <int N>
constexpr int next(int R = writer<N, reader(0, slot<N>())+1>::value) {
    return R;
}
#endif

代码原样也适用于 msvc。 icc 编译器在使用 decltype(counter(slot<N>())) 时不会触发 SFINAE，宁愿抱怨不能 deduce the return type of function "counter(slot<N>)" 因为 it has not been defined。我 认为这是一个错误 ，可以通过对 counter(slot<N>) 的直接结果执行 SFINAE 来解决。这也适用于所有其他编译器，但 g++ 决定吐出大量无法关闭的非常烦人的警告。因此，在这种情况下，#ifdef 也可以提供帮助。

proof is on godbolt，截图如下。

C++ 编译时间计数器，再访

C++ compile time counters, revisited

c++

counter

friend-function

argument-dependent-lookup

constexpr

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这一切是如何开始的

几天前我决定再次尝试解决这些问题

第一题

第二批题目

结论