Розуміння constexpr у контексті шаблонів класів у C++20

3 Березня 2024 в 15:46 30

У сучасних версіях C++, починаючи з C++11, ключове слово constexpr відіграє важливу роль у компіляційному обчисленні значень. Це дозволяє значно оптимізувати програму, виконуючи обчислення на етапі компіляції замість виконання. Однак, при використанні constexpr всередині класів можуть виникати певні труднощі, зокрема при передачі constexpr значень як аргументів шаблонів. Розглянемо це детальніше на прикладі помилки компіляції, що виникає при спробі використати constexpr функції та змінні всередині класу як аргументи шаблонів.

Основна проблема

Розглянемо код, який демонструє ситуацію, коли constexpr змінні та функції працюють без проблем як аргументи шаблонів, але викликають помилки компіляції, коли використовуються всередині класу:

#include &lt;cstddef&gt;
#include &lt;cstdint&gt;
#include &lt;limits&gt;
#include &lt;span&gt;
static constexpr size_t max_length = std::numeric_limits&lt;uint16_t&gt;::digits10 + 2 + 1;
constexpr size_t MaxLength() noexcept {
    return std::numeric_limits&lt;uint16_t&gt;::digits10 + 2 + 1;
}
size_t some_function1(std::span&lt;const char, max_length&gt; buf) {
    return buf.size(); // not the real code, but for demo
}
size_t some_function2(std::span&lt;const char, MaxLength()&gt; buf) {
    return buf.size(); // not the real code, but for demo
}
class SomeClass {
    static constexpr size_t class_max_length = std::numeric_limits&lt;uint16_t&gt;::digits10 + 2 + 1;
    constexpr static size_t ClassMaxLength() noexcept {
        return std::numeric_limits&lt;uint16_t&gt;::digits10 + 2 + 1;
    }
    size_t some_function1(std::span&lt;const char, class_max_length&gt; buf) {
        return buf.size(); // not the real code, but for demo
    }
    size_t some_function2(std::span&lt;const char, ClassMaxLength()&gt; buf) {
        return buf.size(); // not the real code, but for demo
    }
};

#include <cstddef>

#include <cstdint>

#include <limits>

#include <span>

static constexpr size_t max_length = std::numeric_limits<uint16_t>::digits10 + 2 + 1;

constexpr size_t MaxLength() noexcept {

return std::numeric_limits<uint16_t>::digits10 + 2 + 1;

}

size_t some_function1(std::span<const char, max_length> buf) {

return buf.size(); // not the real code, but for demo

}

size_t some_function2(std::span<const char, MaxLength()> buf) {

return buf.size(); // not the real code, but for demo

}

class SomeClass {

static constexpr size_t class_max_length = std::numeric_limits<uint16_t>::digits10 + 2 + 1;

constexpr static size_t ClassMaxLength() noexcept {

return std::numeric_limits<uint16_t>::digits10 + 2 + 1;

}

size_t some_function1(std::span<const char, class_max_length> buf) {

return buf.size(); // not the real code, but for demo

}

size_t some_function2(std::span<const char, ClassMaxLength()> buf) {

return buf.size(); // not the real code, but for demo

}

};

Причина помилки

Помилка компіляції виникає через те, що компілятор C++20 не вважає виклик функції ClassMaxLength() константним виразом у контексті шаблону. Це пов’язано з тим, що область видимості функції constexpr всередині класу обмежує її використання до ініціалізації та компіляції. Однак, коли функція викликається як аргумент шаблону, компілятор повинен гарантувати, що її значення є константним на момент компіляції. У випадку з використанням всередині класу, компілятор не може цього гарантувати до завершення компіляції всього класу, що призводить до помилки.

Рішення проблеми

Одним із способів вирішення цієї проблеми є використання змінної constexpr на рівні класу замість функції для передачі як аргументу шаблону. Інший спосіб — визначити constexpr функцію поза класом. Це забезпечує, що функція буде доступна на етапі компіляції як константний вираз.

Загальні рекомендації

При роботі з constexpr в C++20 важливо пам’ятати, що область видимості та контекст використання можуть впливати на її поведінку як константного виразу. Особливо це стосується використання всередині класів, де компілятор має додаткові обмеження на перевірку константності виразів. Використання constexpr змінних на рівні класу замість функцій може допомогти уникнути подібних помилок компіляції.

У випадку складнощів із розумінням концепції constexpr та її застосуванням всередині класів, рекомендується звернутися до документації C++ та додаткових ресурсів, які детально описують механізми компіляційного обчислення та оптимізації коду.