constexpr و consteval

جزء من قسم Object Oriented Programming في رحلة C++ على Coddy — الدرس 87 من 104.

تسمح لغة C++ بإجراء الحسابات في وقت التصريف بدلاً من وقت التشغيل، مما قد يؤدي إلى تحسين الأداء بشكل كبير. تمنحك الكلمة المفتاحية constexpr (C++11) والكلمة المفتاحية consteval (C++20) التحكم في وقت تقييم التعبيرات.

يمكن تقييم دالة constexpr في وقت التجميع (compile time) إذا أُعطيت وسائط ثابتة، ولكن يمكنها أيضاً العمل في وقت التشغيل (runtime) مع مدخلات غير ثابتة:

#include <iostream>

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

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

عندما تحتاج إلى ضمان التقييم في وقت التجميع، استخدم consteval. يجب أن تنتج دالة consteval ثابتاً - استدعاؤها بقيم وقت التشغيل هو خطأ في التجميع:

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

int main() {
    constexpr int result = factorial(5);  // حسناً: 120 تم حسابها في وقت التجميع
    
    // int x = 5;
    // int bad = factorial(x);  // خطأ: x ليس ثابتاً
}

يمكنك أيضاً استخدام constexpr مع المتغيرات وحتى منشئات الفئات (class constructors)، مما يسمح بإنشاء كائنات كاملة في وقت التجميع (compile time). هذا مفيد بشكل خاص لجداول البحث (lookup tables)، وقيم التكوين (configuration values)، أو أي بيانات لا تتغير أثناء تنفيذ البرنامج.

التحدي

سهل

ستقوم بتنظيم الكود الخاص بك عبر ثلاثة ملفات:

MathUtils.h: قم بتعريف دوال الرياضيات الخاصة بك التي تعمل في وقت التصريف (compile-time).
أنشئ الدوال التالية:
- cube — دالة constexpr تأخذ int وتعيد مكعبه (n * n * n)
- triangularNumber — دالة constexpr تحسب الرقم المثلثي النوني باستخدام الصيغة n * (n + 1) / 2. يجب دائماً تقييم هذه الدالة في وقت التصريف.
- sumOfSquares — دالة constexpr تأخذ عددين صحيحين وتعيد مجموع مربعاتهما (a*a + b*b)
Config.h: أنشئ هيكل إعدادات (configuration structure) باستخدام ثوابت وقت التصريف.
قم بتعريف هيكل Config مع منشئ (constructor) من نوع constexpr يأخذ ثلاثة أعداد صحيحة: width، و height، و depth. قم بتخزين هذه القيم كأعضاء عامة (public members). أضف أيضاً تابعاً (method) من نوع constexpr يسمى volume() يعيد حاصل ضرب width * height * depth.
أسفل الهيكل، أنشئ ثابتاً عاماً (global constant) من نوع constexpr يسمى DEFAULT_CONFIG مهيأً بالقيم 10، 20، و 5.
main.cpp: اقرأ عددين صحيحين من المدخلات يمثلان قيم وقت التشغيل (runtime values).
أولاً، وضح التقييم في وقت التصريف من خلال إنشاء متغيرات constexpr:
- قم بتخزين cube(4) في متغير constexpr واطبع: Cube of 4: [value]
- قم بتخزين triangularNumber(10) في متغير constexpr واطبع: 10th triangular number: [value]
- اطبع حجم الإعدادات الافتراضية: Default volume: [value]
بعد ذلك، وضح أن دوال constexpr يمكنها أيضاً العمل في وقت التشغيل باستخدام قيمتي المدخلات الخاصتين بك:
- استدعِ cube() مع المدخل الأول واطبع: Cube of [input]: [result]
- استدعِ sumOfSquares() مع كلا المدخلين واطبع: Sum of squares: [result]

على سبيل المثال، مع المدخلات 3 و 4:

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

مع المدخلات 5 و 12:

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

ورقة مرجعية

تسمح لغة C++ بإجراء الحسابات في وقت التصريف باستخدام الكلمات المفتاحية constexpr (C++11) و consteval (C++20).

يمكن تقييم دالة constexpr في وقت التصريف باستخدام وسائط ثابتة، ولكنها تعمل أيضاً في وقت التشغيل مع مدخلات غير ثابتة:

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

constexpr int compileTime = square(5);  // يتم تقييمها في وقت التصريف

int x = 7;
int runtime = square(x);  // يتم تقييمها في وقت التشغيل

يجب تقييم دالة consteval في وقت التصريف. يؤدي استدعاؤها بقيم من وقت التشغيل إلى حدوث خطأ في التصريف:

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

constexpr int result = factorial(5);  // صحيح: تم حسابها في وقت التصريف

// int x = 5;
// int bad = factorial(x);  // خطأ: x ليس ثابتاً

يمكنك استخدام constexpr مع المتغيرات، ومنشئات الفئات (constructors)، والدوال (methods) لتمكين إنشاء الكائنات في وقت التصريف:

struct Config {
    int width, height, depth;
    
    constexpr Config(int w, int h, int d) 
        : width(w), height(h), depth(d) {}
    
    constexpr int volume() const {
        return width * height * depth;
    }
};

constexpr Config config(10, 20, 5);  // تم إنشاؤها في وقت التصريف

جرّب بنفسك

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

using namespace std;

int main() {
    // قراءة عددين صحيحين من المدخلات
    int input1, input2;
    cin >> input1;
    cin >> input2;
    
    // TODO: توضيح التقييم في وقت التجميع (compile-time evaluation)
    // إنشاء متغير constexpr يخزن cube(4) وطباعة: "Cube of 4: [value]"
    
    // TODO: إنشاء متغير constexpr يخزن triangularNumber(10)
    // وطباعة: "10th triangular number: [value]"
    
    // TODO: طباعة حجم الإعداد الافتراضي: "Default volume: [value]"
    
    // TODO: توضيح استخدام دوال constexpr في وقت التشغيل (runtime)
    // استدعاء cube() مع input1 وطباعة: "Cube of [input1]: [result]"
    
    // TODO: استدعاء sumOfSquares() مع كلا المدخلين
    // وطباعة: "Sum of squares: [result]"
    
    return 0;
}