constexpr و consteval

جزء من قسم البرمجة كائنية التوجه في رحلة C++ على Coddy. الدرس 87 من 104.

تسمح لك C++ بإجراء العمليات الحسابية في وقت compile بدلاً من وقت التشغيل، مما يمكن أن يحسّن الأداء بشكل ملحوظ. تمنحك الكلمة المفتاحية constexpr (C++11) والكلمة المفتاحية consteval (C++20) إمكانية التحكم في وقت تقييم التعبيرات.

يمكن تقييم الدالة constexpr في وقت الترجمة إذا أُعطيت وسائط ثابتة، لكنها يمكن أن تعمل أيضًا في وقت التشغيل مع inputs غير ثابتة:

#include <iostream>

constexpr int square(int n) {
    return n * n;
}

int main() {
    constexpr int compileTime = square(5);  // يُقيَّم في وقت الترجمة
    
    int x = 7;
    int runtime = square(x);  // يُقيَّم في وقت التشغيل
    
    std::cout << compileTime << "\n";  // 25
    std::cout << runtime << "\n";      // 49
}

عندما تحتاج إلى ضمان التقييم في وقت الترجمة، استخدم consteval. يجب أن تنتج دالة consteval قيمة constant — ويؤدي استدعاؤها باستخدام قيم وقت التشغيل إلى حدوث خطأ في الترجمة:

consteval int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

int main() {
    constexpr int result = factorial(5);  // OK: 120 محسوبة في وقت الترجمة
    
    // int x = 5;
    // int bad = factorial(x);  // ERROR: x ليست ثابتة
}

يمكنك أيضًا استخدام constexpr مع المتغيرات وحتى مع constructor الخاص بالفئات، مما يتيح إنشاء كائنات كاملة في وقت compile. وهذا مفيد بشكل خاص لجداول البحث، وقيم الإعدادات، أو أي بيانات لا تتغير أثناء تنفيذ البرنامج.

التحدي

سهل

ستنظّم تعليماتك البرمجية عبر ثلاثة ملفات:

MathUtils.h: Define دوال الرياضيات الخاصة بك وقت compile.
Create الـ functions التالية:
- cube: دالة constexpr تأخذ قيمة int وتُرجع مكعّبها (n * n * n)
- triangularNumber: دالة constexpr تحسب العدد المثلثي رقم n باستخدام الصيغة n * (n + 1) / 2. في هذه المهمة، نستدعيها دائمًا في سياق compile-time، ونخزّن نتيجتها في متغير constexpr.
- sumOfSquares: دالة constexpr تأخذ عددين صحيحين وتُرجع مجموع مربعيهما (a*a + b*b)
Config.h: Create بنية config باستخدام ثوابت compile-time.
Define بنية Config مع مُنشئ constexpr يأخذ ثلاثة أعداد صحيحة: width وheight وdepth. خزّن هذه القيم كأعضاء عامة. أضف أيضًا method من نوع constexpr تسمى volume() تُرجع width * height * depth.
أسفل البنية، أنشئ ثابتًا عامًا من نوع constexpr يسمى DEFAULT_CONFIG، وقم بتهيئته بالقيم 10 و20 و5.
main.cpp: اقرأ عددين صحيحين من input يمثلان قيمًا وقت التشغيل.
أولًا، Demonstrate عملية evaluation وقت compile-time من خلال إنشاء متغيرات constexpr:
- خزّن cube(4) في متغير constexpr واطبع: Cube of 4: [value]
- خزّن triangularNumber(10) في متغير constexpr واطبع: 10th triangular number: [value]
- اطبع volume الخاص بـ config الافتراضي: Default volume: [value]
ثم Demonstrate أن دوال constexpr يمكنها أيضًا العمل وقت التشغيل باستخدام قيمتي input:
- Call للدالة cube() باستخدام input الأول واطبع: Cube of [input]: [result]
- Call للدالة sumOfSquares() باستخدام كلا المدخلين واطبع: Sum of squares: [result]

على سبيل المثال، مع المدخلين 3 و4:

Cube of 4: 64
10th triangular number: 55
Default volume: 1000
Cube of 3: 27
Sum of squares: 25

مع المدخلين 5 و12:

Cube of 4: 64
10th triangular number: 55
Default volume: 1000
Cube of 5: 125
Sum of squares: 169

جرّب بنفسك

#include <iostream>
#include "MathUtils.h"
#include "Config.h"

using namespace std;

int main() {
    // اقرأ عددين صحيحين من الإدخال
    int input1, input2;
    cin >> input1;
    cin >> input2;
    
    // TODO: وضّح التقييم في وقت الترجمة
    // أنشئ متغير constexpr يخزن cube(4) واطبع: "Cube of 4: [value]"
    
    // TODO: Create a constexpr variable storing triangularNumber(10)
    // and print: "10th triangular number: [value]"
    
    // TODO: Print the default config's volume: "Default volume: [value]"
    
    // TODO: وضّح استخدام دوال constexpr في وقت التشغيل
    // استدعِ cube() مع input1 واطبع: "Cube of [input1]: [result]"
    
    // TODO: Call sumOfSquares() with both inputs
    // and print: "Sum of squares: [result]"
    
    return 0;
}