Энтони Уильямс - Параллельное программирование на С++ в действии. Практика разработки многопоточных программ

• все нестатические переменные-члены данного класса и его базовых классов должны иметь тривиальный тип;

• в классе должен существовать либо тривиальный конструктор по умолчанию, либо constexpr-конструктор, отличный от копирующего конструктора.

О constexpr-конструкторах мы поговорим чуть ниже. А пока обратимся к классам с тривиальным конструктором по умолчанию. Пример такого класса приведён ниже:

class CX {

private:

int а;

int b;

public:

CX() = default; ← (1)

CX(int a_, int b_) : ← (2)

a(a_), b(b_) {}

int get_a() const {

return a;

}

int get_b() const {

return b;

}

int foo() const {

return a + b;

}

};

Здесь мы явно объявили конструктор по умолчанию (1) умалчиваемым (см. раздел А.3), чтобы сохранить его тривиальность, несмотря на наличие определённого пользователем конструктора (2). Таким образом, этот тип удовлетворяет всем требованиям к литеральному типу и, значит, его можно использовать в константных выражениях. К примеру, можно написать constexpr-функцию, которая создает новые экземпляры этого класса:

constexpr CX create_cx() {

return CX();

}

Можно также написать простую constexpr-функцию, которая копирует свой параметр:

constexpr CX clone(CX val) {

return val;

}

Но это практически и всё, что можно сделать, — constexpr-функции разрешено вызывать только другие constexpr-функции. Тем не менее, допускается применять спецификатор constexprк функциям-членам и конструкторам CX:

class CX {

private:

int а;

int b;

public:

CX() = default;

constexpr CX(int a_, int b_): a(a_), b(b_) {}

constexpr int get_a() const { ← (1)

return a;

}

constexpr int get_b() { ← (2)

return b;

}

constexpr int foo() {

return a + b;

}

};

Отметим, что теперь квалификатор constв функции get_a() (1)избыточен, потому что он и так подразумевается ключевым словом constexpr. Функция get_b()достаточно «константная» несмотря на то, что квалификатор constопущен (2). Это дает возможность строить более сложные constexpr-функции, например:

constexpr CX make_cx(int a) {

return CX(a, 1);

}

constexpr CX half_double(CX old) {

return CX(old.get_a()/2, old.get_b()*2);

}

constexpr int foo_squared(CX val) {

return square(val.foo());

}

int array[foo_squared(

half_double(make_cx(10)))]; ← 49 элементов

Всё это, конечно, интересно, но уж слишком много усилий для того, чтобы всего лишь вычислить границы массива или значение целочисленной константы. Основное же достоинство константных выражений и constexpr-функций в контексте пользовательских типов заключается в том, что объекты литерального типа, инициализированные константным выражением, инициализируются статически и, следовательно, не страдают от проблем, связанных с зависимостью от порядка инициализации и гонок.

CX si = half_double(CX(42, 19));

Это относится и к конструкторам. Если конструктор объявлен как constexpr, а его параметры — константные выражения, то такая инициализация считается константной инициализацией и происходит на этапе статической инициализации. Это одно из наиболее важных изменений в стандарте C++11 с точки зрения параллелизма : разрешив статическую инициализацию для определенных пользователем конструкторов, мы предотвращаем состояния гонки во время инициализации, поскольку объекты гарантированно инициализируются до начала выполнения программы.

Особенно существенно это для таких классов, как std::mutex(см. раздел 3.2.1) и std::atomic<>(см. раздел 5.2.6), поскольку иногда мы хотим, чтобы некий глобальный объект синхронизировал доступ к другим переменным, но так, чтобы не было гонок при доступе к нему самому. Это было бы невозможно, если бы конструктор мьютекса мог стать жертвой гонки, поэтому конструктор по умолчанию в классе std::mutexобъявлен как constexpr, чтобы инициализация мьютекса всегда производилась на этапе статической инициализации.

До сих пор мы говорили о применении constexprк функциям. Но этот спецификатор можно применять и к объектам. Чаще всего, так делают для диагностики; компилятор проверяет, что объект инициализирован константным выражением, constexpr-конструктором или агрегатным инициализатором, составленным из константных выражений. Кроме того, объект автоматически объявляется как const:

constexpr int i = 45;← Правильно

constexpr std::string s("hello");←┐ Ошибка, std::string —

int foo(); │ не литеральный тип

constexpr int j = foo();← Ошибка, foo() не объявлена как constexpr

Чтобы функцию можно было объявить как constexpr, она должна удовлетворять нескольким требованиям. Если эти требования не выполнены, компилятор сочтет наличие спецификатора constexprошибкой. Требования таковы:

• все параметры должны иметь литеральный тип;

• возвращаемое значение должно иметь литеральный тип;

• тело функции может содержать только предложение returnи ничего больше;

• выражение в предложении returnдолжно быть константным;

• любой конструктор или оператор преобразования, встречающийся в выражении для вычисления возвращаемого значения, должен быть объявлен как constexpr.

На самом деле, это вполне понятные требования: у компилятора должна быть возможность встроить вызов функции в константное выражение, и при этом оно должно остаться константным. Кроме того, запрещается что-либо изменять; constexpr-функции являются чистыми , то есть не имеют побочных эффектов.

К constexpr-функциям, являющимся членами класса, предъявляются дополнительные требования:

• constexprфункции-члены не могут быть виртуальными;

• класс, членом которого является функция, должен иметь литеральный тип.

Для constexpr-конструкторов действуют другие правила:

• тело конструктора должно быть пустым;

• все базовые классы должны быть инициализированы;

• все нестатические данные-члены должны быть инициализированы;

• все выражения, встречающиеся в списке инициализации членов, должны быть константными;

• конструкторы, выбранные для инициализации данных-членов и базовых классов, должны быть constexpr-конструкторами;

• все конструкторы и операторы преобразования, используемые для конструирования данных-членов и базовых классов в соответствующем выражении инициализации, должны быть объявлены как constexpr.