为什么 consteval/constexpr 和模板元函数之间的编译时间差异如此之大？

Question

我很好奇就编译时评估而言，我可以将 gcc 推到什么程度，所以我让它计算 Ackermann 函数，特别是输入值为 4 和 1（任何高于此值的值）不切实际):

consteval unsigned int A(unsigned int x, unsigned int y)
{
    if(x == 0)
        return y+1;
    else if(y == 0)
        return A(x-1, 1);
    else
        return A(x-1, A(x, y-1));
}

unsigned int result = A(4, 1);

（我认为递归深度限制在 ~16K 但为了安全起见我用 -std=c++20 -fconstexpr-depth=100000 -fconstexpr-ops-limit=12800000000 编译了它）

毫不奇怪，这会占用大量堆栈 space（事实上，如果运行默认进程堆栈大小为 8mb，它会导致编译器崩溃）并且需要几分钟时间计算。然而，它最终确实到达了那里，所以显然编译器可以处理它。

之后我决定尝试使用模板、元函数和部分专业化模式匹配来实现 Ackermann 函数。令人惊讶的是，下面的实现只需要几秒钟就可以评估：

template<unsigned int x, unsigned int y>
struct A {
    static constexpr unsigned int value = A<x-1, A<x, y-1>::value>::value;
};

template<unsigned int y>
struct A<0, y> {
    static constexpr unsigned int value = y+1;
};

template<unsigned int x>
struct A<x, 0> {
  static constexpr unsigned int value = A<x-1, 1>::value;
};

unsigned int result = A<4,1>::value;

（用-ftemplate-depth=17000编译）

为什么评估时间会有如此大的差异？这些本质上不是等价的吗？我想我可以理解需要更多内存和评估时间的 consteval 解决方案，因为从语义上讲它由一堆函数调用组成，但这并不能解释为什么这个完全相同的（非consteval）函数在运行时间只比元功能版本稍长（编译时未优化）。

为什么 consteval 这么慢？我几乎想得出结论，它正在由 GIMPLE 解释器或类似的东西进行评估。另外，元功能版本怎么会这么快？它实际上并不比优化的机器代码慢多少。

Answer 1

在 A 的模板版本中，当一个特定的特化，比如 A<2,3>，被实例化时，编译器会记住这个类型，并且永远不需要再次实例化它。这是因为类型是唯一的，每次“调用”这个元函数只是计算一个类型。

consteval 函数版本未针对此进行优化，因此 A(2,3) 可能会被多次计算，具体取决于控制流，从而导致您观察到的性能差异。没有什么可以阻止编译器“缓存”函数调用的结果，但这些优化可能还没有实现。

为什么 consteval/constexpr 和模板元函数之间的编译时间差异如此之大？

Why is there such a massive difference in compile time between consteval/constexpr and template metafunctions?

c++

templates

ackermann

c++20

consteval