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 إذا أُعطيت وسائط ثابتة، ولكن يمكنها أيضاً أن تعمل في وقت التشغيل 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 التصريف، استخدم consteval. يجب أن تُنتج دالة consteval ثابتاً - استدعاؤها بقيم وقت التشغيل هو خطأ في التصريف:

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

int main() {
    constexpr int result = factorial(5);  // موافق: تم حساب 120 في وقت التجميع
    
    // int x = 5;
    // خطأ: x ليس ثابتاً // ERROR: x is not a constant
}

يمكنك أيضًا استخدام constexpr مع المتغيرات وحتى منشئات الفئات (class constructors)، مما يسمح بإنشاء كائنات كاملة في وقت التجميع (compile time). وهذا مفيد بشكل خاص لجداول البحث (lookup tables)، أو قيم التكوين، 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. في هذه المهمة، سنقوم باستدعائها فقط في سياق وقت التصريف، مع تخزين نتيجتها في متغير constexpr.
- 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) constexpr يأخذ ثلاثة أعداد صحيحة: width، و height، و depth. قم بتخزين هذه القيم كأعضاء عامة (public members). أضف أيضاً تابعاً (method) constexpr يسمى volume() يعيد width * height * depth.
أسفل الهيكل، أنشئ ثابتاً عاماً constexpr يسمى DEFAULT_CONFIG يتم تهيئته 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

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
    // قم بإنشاء متغير constexpr يخزن cube(4) واطبع: "Cube of 4: [value]"
    
    // TODO: قم بإنشاء متغير constexpr يخزن triangularNumber(10)
    // واطبع: "10th triangular number: [value]"
    
    // TODO: اطبع الحجم الافتراضي للإعدادات: "Default volume: [value]"
    
    // TODO: توضيح استخدام دوال constexpr في وقت التشغيل
    // استدعِ cube() مع input1 واطبع: "Cube of [input1]: [result]"
    
    // TODO: استدعِ sumOfSquares() مع كلا المدخلين
    // واطبع: "Sum of squares: [result]"
    
    return 0;
}