constexpr và consteval

Thuộc phần Lập trình hướng đối tượng trong hành trình C++ của Coddy. Bài học 87 trên 104.

C++ cho phép thực hiện phép tính tại thời điểm biên dịch thay vì thời điểm chạy, nhờ đó cải thiện đáng kể hiệu suất. Từ khóa constexpr (C++11) và từ khóa consteval (C++20) giúp bạn kiểm soát thời điểm đánh giá biểu thức.

Hàm (function) constexpr có thể được tính toán tại thời điểm biên dịch nếu nhận các đối số hằng số, nhưng cũng có thể chạy trong thời gian chạy với đầu vào không phải hằng số:

#include <iostream>

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

int main() {
    constexpr int compileTime = square(5);  // Tính giá trị khi biên dịch
    
    int x = 7;
    int runtime = square(x);  // Tính giá trị khi chạy
    
    std::cout << compileTime << "\n";  // 25
    std::cout << runtime << "\n";      // 49
}

Khi cần đảm bảo việc đánh giá diễn ra tại thời điểm biên dịch, hãy dùng consteval. Hàm consteval phải tạo ra một hằng số, gọi hàm này với các giá trị thời gian chạy sẽ gây ra lỗi biên dịch:

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

int main() {
    constexpr int result = factorial(5);  // OK: 120 được tính khi biên dịch
    
    // int x = 5;
    // int bad = factorial(x);  // ERROR: x không phải là hằng số
}

Bạn cũng có thể dùng constexpr với các biến và cả hàm khởi tạo của lớp, nhờ đó toàn bộ đối tượng có thể được tạo tại thời điểm biên dịch. Cách này đặc biệt hữu ích với các bảng tra cứu, giá trị cấu hình hoặc dữ liệu không thay đổi trong quá trình chạy chương trình.

Thử thách

Dễ

Bạn sẽ sắp xếp code trong ba tệp:

MathUtils.h: Định nghĩa các hàm toán học được tính toán tại thời điểm biên dịch.
Tạo các hàm sau:
- cube: hàm constexpr nhận một số nguyên int và trả về lập phương của nó (n * n * n)
- triangularNumber: hàm constexpr tính số tam giác thứ n theo công thức n * (n + 1) / 2. Trong bài này, ta chỉ gọi hàm trong ngữ cảnh được tính toán tại thời điểm biên dịch và lưu kết quả vào một biến constexpr.
- sumOfSquares: hàm constexpr nhận hai số nguyên và trả về tổng bình phương của chúng (a*a + b*b)
Config.h: Tạo một cấu trúc cấu hình bằng các hằng số được tính toán tại thời điểm biên dịch.
Định nghĩa một struct Config với hàm khởi tạo constexpr nhận ba số nguyên: width, height và depth. Lưu các giá trị này vào các thành viên công khai. Thêm phương thức constexpr tên là volume(), trả về width * height * depth.
Bên dưới struct, tạo một hằng số toàn cục constexpr tên là DEFAULT_CONFIG, được khởi tạo bằng các giá trị 10, 20 và 5.
main.cpp: Đọc hai số nguyên từ đầu vào, biểu thị các giá trị tại thời điểm chạy.
Trước tiên, minh họa việc tính toán tại thời điểm biên dịch bằng cách tạo các biến constexpr:
- Lưu cube(4) vào một biến constexpr và in ra: Cube of 4: [value]
- Lưu triangularNumber(10) vào một biến constexpr và in ra: 10th triangular number: [value]
- In thể tích của cấu hình mặc định: Default volume: [value]
Sau đó, minh họa rằng các hàm constexpr cũng có thể hoạt động tại thời điểm chạy bằng cách dùng hai giá trị đầu vào:
- Gọi cube() với giá trị đầu vào thứ nhất và in ra: Cube of [input]: [result]
- Gọi sumOfSquares() với cả hai giá trị đầu vào và in ra: Sum of squares: [result]

Ví dụ, với đầu vào 3 và 4:

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

Với đầu vào 5 và 12:

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

Tự làm thử

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

using namespace std;

int main() {
    // Đọc hai số nguyên từ đầu vào
    int input1, input2;
    cin >> input1;
    cin >> input2;
    
    // TODO: Minh họa cách tính giá trị lúc biên dịch
    // Tạo một biến (variable) constexpr lưu cube(4) và in ra: "Cube of 4: [value]"
    
    // TODO: Tạo một biến constexpr lưu triangularNumber(10)
    // và in ra: "10th triangular number: [value]"
    
    // TODO: In ra âm lượng của cấu hình mặc định: "Default volume: [value]"
    
    // TODO: Minh họa cách dùng các hàm (function) constexpr khi chạy
    // Gọi cube() với input1 và in ra: "Cube of [input1]: [result]"
    
    // TODO: Gọi sumOfSquares() với cả hai giá trị đầu vào
    // và in ra: "Sum of squares: [result]"
    
    return 0;
}