constexpr e consteval

Parte da seção Programação Orientada a Objetos do Journey de C++ da Coddy. Lição 87 de 104.

C++ permite que os cálculos ocorram em tempo de compilação, em vez de durante a execução, o que pode melhorar significativamente o desempenho. A palavra-chave constexpr (C++11) e a palavra-chave consteval (C++20) dão a você controle sobre quando as expressões são avaliadas.

Uma função constexpr pode ser avaliada em tempo de compilação se receber argumentos constantes, mas também pode ser executada em tempo de execução com inputs não constantes:

#include <iostream>

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

int main() {
    constexpr int compileTime = square(5);  // Avaliado em tempo de compilação
    
    int x = 7;
    int runtime = square(x);  // Avaliado em tempo de execução
    
    std::cout << compileTime << "\n";  // 25
    std::cout << runtime << "\n";      // 49
}

Quando você precisar garantir a avaliação em tempo de compilação, use consteval. Uma função consteval deve produzir uma constante — chamá-la com valores em tempo de execução é um erro de compilação:

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

int main() {
    constexpr int result = factorial(5);  // OK: 120 calculado em tempo de compilação
    
    // int x = 5;
    // int bad = factorial(x);  // ERROR: x não é uma constante
}

Você também pode usar constexpr com variáveis e até mesmo construtores de classes, permitindo que objetos inteiros sejam criados em tempo de compilação. Isso é particularmente útil para tabelas de consulta, valores de configuração ou quaisquer dados que não mudem durante a execução do programa.

Desafio

Fácil

Você organizará seu código em três arquivos:

MathUtils.h: defina suas funções matemáticas avaliadas em tempo de compilação.
Crie as seguintes funções:
- cube: uma função constexpr que recebe um int e retorna seu cubo (n * n * n)
- triangularNumber: uma função constexpr que calcula o enésimo número triangular usando a fórmula n * (n + 1) / 2. Nesta tarefa, nós a chamamos somente em um contexto de tempo de compilação, armazenando seu resultado em uma variável constexpr.
- sumOfSquares: uma função constexpr que recebe dois inteiros e retorna a soma de seus quadrados (a*a + b*b)
Config.h: crie uma estrutura de configuração usando constantes avaliadas em tempo de compilação.
Defina uma struct Config com um construtor constexpr que recebe três inteiros: width, height e depth. Armazene-os como membros públicos. Adicione também um método constexpr chamado volume() que retorna width * height * depth.
Abaixo da struct, crie uma constante global constexpr chamada DEFAULT_CONFIG, inicializada com os valores 10, 20 e 5.
main.cpp: leia dois inteiros da entrada representando valores de tempo de execução.
Primeiro, demonstre a avaliação em tempo de compilação criando variáveis constexpr:
- Armazene cube(4) em uma variável constexpr e imprima: Cube of 4: [value]
- Armazene triangularNumber(10) em uma variável constexpr e imprima: 10th triangular number: [value]
- Imprima o volume da configuração padrão: Default volume: [value]
Em seguida, demonstre que as funções constexpr também podem funcionar em tempo de execução usando seus dois valores de entrada:
- Chame cube() com a primeira entrada e imprima: Cube of [input]: [result]
- Chame sumOfSquares() com ambas as entradas e imprima: Sum of squares: [result]

Por exemplo, com as entradas 3 e 4:

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

Com as entradas 5 e 12:

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

Experimente você mesmo

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

using namespace std;

int main() {
    // Lê dois inteiros da entrada
    int input1, input2;
    cin >> input1;
    cin >> input2;
    
    // TODO: Demonstra a avaliação em tempo de compilação
    // Cria uma variável constexpr armazenando cube(4) e imprime: "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: Demonstra o uso em tempo de execução de funções constexpr
    // Chama cube() com input1 e imprime: "Cube of [input1]: [result]"
    
    // TODO: Call sumOfSquares() with both inputs
    // and print: "Sum of squares: [result]"
    
    return 0;
}