constexpr и consteval

Часть раздела Объектно-ориентированное программирование путешествия по C++ на Coddy — урок 87 из 104.

C++ позволяет выполнять вычисления во время компиляции, а не во время выполнения, что может значительно повысить производительность. Ключевое слово constexpr (C++11) и ключевое слово consteval (C++20) дают вам контроль над тем, когда вычисляются выражения.

Функция constexpr может быть вычислена на этапе компиляции, если ей переданы константные аргументы, но она также может выполняться во время выполнения с неконстантными входными данными:

#include <iostream>

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

int main() {
    constexpr int compileTime = square(5);  // Вычисляется во время компиляции
    
    int x = 7;
    int runtime = square(x);  // Вычисляется во время выполнения
    
    std::cout << compileTime << "\n";  // 25
    std::cout << runtime << "\n";      // 49
}

Когда вам нужно гарантировать вычисление на этапе компиляции, используйте consteval. Функция consteval должна возвращать константу — вызов её с аргументами времени выполнения приводит к ошибке компиляции:

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

int main() {
    constexpr int result = factorial(5);  // OK: 120 вычисляется во время компиляции
    
    // int x = 5;
    // int bad = factorial(x);  // ОШИБКА: x не является константой
}

Вы также можете использовать constexpr с переменными и даже конструкторами классов, что позволяет создавать целые объекты во время компиляции. Это особенно полезно для таблиц поиска, конфигурационных значений или любых данных, которые не меняются во время выполнения программы.

Задание

Легко

Вы организуете свой код в трех файлах:

MathUtils.h: Определите математические функции времени компиляции.
Создайте следующие функции:
- cube — функция constexpr, которая принимает int и возвращает его куб (n * n * n)
- triangularNumber — функция constexpr, которая вычисляет n-ое треугольное число по формуле n * (n + 1) / 2. Это значение всегда должно вычисляться во время компиляции.
- sumOfSquares — функция constexpr, которая принимает два целых числа и возвращает сумму их квадратов (a*a + b*b)
Config.h: Создайте структуру конфигурации, используя константы времени компиляции.
Определите структуру Config с конструктором constexpr, который принимает три целых числа: width, height и depth. Сохраните их как публичные члены. Также добавьте метод constexpr с именем volume(), который возвращает width * height * depth.
Ниже структуры создайте глобальную константу constexpr с именем DEFAULT_CONFIG, инициализированную значениями 10, 20 и 5.
main.cpp: Считайте два целых числа из входных данных, представляющих значения времени выполнения.
Сначала продемонстрируйте вычисление во время компиляции, создав переменные constexpr:
- Сохраните cube(4) в переменной constexpr и выведите: Cube of 4: [value]
- Сохраните triangularNumber(10) в переменной constexpr и выведите: 10th triangular number: [value]
- Выведите объем конфигурации по умолчанию: Default volume: [value]
Затем продемонстрируйте, что функции constexpr также могут работать во время выполнения, используя два введенных значения:
- Вызовите cube() с первым входным значением и выведите: Cube of [input]: [result]
- Вызовите sumOfSquares() с обоими входными значениями и выведите: Sum of squares: [result]

Например, при входных данных 3 и 4:

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

При входных данных 5 и 12:

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

Шпаргалка

C++ позволяет выполнять вычисления на этапе компиляции, используя ключевые слова constexpr (C++11) и consteval (C++20).

Функция constexpr может быть вычислена на этапе компиляции с константными аргументами, но также выполняется во время выполнения с неконстантными входными данными:

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

constexpr int compileTime = square(5);  // Вычисляется на этапе компиляции

int x = 7;
int runtime = square(x);  // Вычисляется во время выполнения

Функция consteval должна вычисляться на этапе компиляции. Вызов её со значениями времени выполнения приводит к ошибке компиляции:

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

constexpr int result = factorial(5);  // OK: вычисляется на этапе компиляции

// int x = 5;
// int bad = factorial(x);  // ОШИБКА: x не является константой

Вы можете использовать constexpr с переменными, конструкторами классов и методами, чтобы обеспечить создание объектов на этапе компиляции:

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);  // Создано на этапе компиляции

Попробуйте сами

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

using namespace std;

int main() {
    // Считать два целых числа из входного потока
    int input1, input2;
    cin >> input1;
    cin >> input2;
    
    // TODO: Продемонстрировать вычисление во время компиляции
    // Создать переменную constexpr, хранящую cube(4), и вывести: "Cube of 4: [value]"
    
    // TODO: Создать переменную constexpr, хранящую triangularNumber(10)
    // и вывести: "10th triangular number: [value]"
    
    // TODO: Вывести громкость из конфигурации по умолчанию: "Default volume: [value]"
    
    // TODO: Продемонстрировать использование функций constexpr во время выполнения
    // Вызвать cube() с input1 и вывести: "Cube of [input1]: [result]"
    
    // TODO: Вызвать sumOfSquares() с обоими входными значениями
    // и вывести: "Sum of squares: [result]"
    
    return 0;
}