Скотт Мейерс - Эффективный и современный С++. 42 рекомендации по использованию С++11 и С++14

Предположим, что нам нужна структура данных для хранения результатов эксперимента, который может быть проведен при разных условиях. Например, уровень освещения в ходе эксперимента может быть высоким, низким или освещение может быть отключено вовсе; может быть разная температура, и т.д. Если всего имеется nусловий, влияющих на проведение эксперимента, и у каждого по три возможных состояния, то общее количество комбинаций составит 3 ⁿ . Хранение результатов экспериментов для всех комбинаций условий требует структуры данных с достаточным количеством памяти для хранения 3 ⁿ значений. В предположении, что каждый результат представляет собой int и что n известно (или может быть вычислено) во время компиляции, подходящим выбором структуры данных может быть std::array. Однако нам требуется способ вычисления 3 ⁿ во время компиляции. Стандартная библиотека С++ предоставляет функцию std::pow, обеспечивающую интересующую нас математическую функциональность, но с точки зрения наших целей имеются две проблемы. Во-первых, std::powработает с типами с плавающей точкой, а нам нужен целочисленный результат. Во-вторых, std::powне является constexpr(т.e. не гарантирует возврат времени компиляции при переданных ей значениях времени компиляции), так что мы не можем использовать ее для указания размера std::array.

К счастью, мы можем написать функцию pow, которая нам нужна. Как это сделать, я покажу чуть позже, но сначала давайте взглянем, каким образом эта функция может быть объявлена и использована:

constexpr // pow является constexpr

int pow(int base, int exp) noexcept // Не генерирует исключений

{

// Ее реализация - ниже

}

constexpr auto numConds = 5; // Количество условий

std::arraypow(3, numConds)> // results содержит

results; // 3^numConds элементов

Вспомним, что constexprперед powне говорит о том, что powвозвращает константное значение; оно говорит, что если baseи expявляются константами времени компиляции, то результат powможет быть использован как константа времени компиляции. Если baseи/или expне являются константами времени компиляции, то результат powбудет вычисляться во время выполнения. Это означает, что powможет быть вызвана не только для вычисления во время компиляции таких вещей, как размер std::array, но и в контексте времени выполнения, как здесь:

auto base = readFromDB("base"); // Эти значения получаются

auto exp = readFromDB("exponent"); // во время компиляции

auto baseToExp = pow(base, exp); // Вызов функции pow

// во время выполнения

Поскольку функции constexprдолжны быть способны возвращать результаты во время компиляции при вызове со значениями времени компиляции, на их реализации накладываются ограничения. Эти ограничения различны в C++11 и С++14.

В С++11 функции constexprмогут содержать не более одной выполнимой инструкции — return. Это выглядит более ограничивающим, чем является на самом деле, поскольку для повышения выразительности constexpr-функций можно использовать две хитрости. Во-первых, можно применять условный оператор “ ?:” вместо инструкции if-else, а во-вторых, вместо циклов можно использовать рекурсию. Таким образом, функция pow может быть реализована следующим образом:

constexpr int pow(int base, int exp) noexcept {

return (exp == 0 ? 1 : base * pow(base, exp - 1));

}

Этот код работает, но только очень непритязательный функциональный программист сможет назвать его красивым. В С++ 14 ограничения на constexpr-функции существенно слабее, так что становится возможной следующая реализация:

constexpr int pow(int base, int exp) noexcept // С++14

{

auto result = 1;

for (int i = 0; i < exp; ++i) result *= base;

return result;

}

Функции constexprограничены приемом и возвратом только литеральных типов (literal types), которые, по сути, означают типы, могущие иметь значения, определяемые во время компиляции. В С++11 к ним относятся все встроенные типы за исключением void, но литеральными могут быть и пользовательские типы, поскольку конструкторы и прочие функции-члены также могут являться constexpr:

class Point {

public:

constexprPoint(double xVal = 0, double yVal = 0) noexcept

: x(xVal), y(yVal) {}

constexprdouble xValue() const noexcept { return x; }

constexprdouble yValue() const noexcept { return y; }

void setX(double newX) noexcept { x = newX; }

void setY(double newY) noexcept { y = newY; }

private:

double x, y;

};

Здесь конструктор Pointможет быть объявлен как constexpr, поскольку, если переданные ему аргументы известны во время компиляции, значения членов-данных созданного Pointтакже могут быть известны во время компиляции. А значит, инициализированный таким образом объект Pointможет быть constexpr:

constexprPoint p1(9.4, 27.7); // OK, во время компиляции

// работает constexpr конструктор

constexprPoint p2(28.8, 5.3); // То же самое

Аналогично функции доступа xValueи yValueмогут быть constexpr, поскольку если они вызываются для объекта Pointсо значением, известным во время компиляции (например, объект constexpr Point), значения членов-данных xи yмогут быть известны во время компиляции. Это делает возможным написать constexpr-функции, которые вызывают функции доступа Pointи инициализируют constexpr-объекты результатами вызовов этих функций:

constexpr

Point midpoint(const Points p1, const Points p2) noexcept {

return {(p1. xValue()+p2. xValue()) / 2, // Вызов constexpr

(p1. yValue()+p2. yValue()) / 2}; // функции-члена

}

constexprauto mid = midpoint(p1, p2); // Инициализация

// constexpr объекта результатом constexpr-функции

Это очень интересно. Это означает, что объект midможет быть создан в памяти, предназначенной только для чтения, несмотря на то что его инициализация включает вызовы конструкторов, функций доступа и функции, не являющейся членом! Это означает, что вы можете использовать выражение наподобие mid.xValue() * 10в аргументе шаблона или в выражении, определяющем значение перечислителя [10] Поскольку P oint::xValue возвращает double , типом mid.xValue() * 10 также является double . Типы с плавающей точкой не могут использоваться для инстанцирования шаблонов или для указания значений перечислений, но они могут быть использованы как части больших выражений, дающих интегральные типы. Например, для инстанцирования шаблона или для указания значения перечислителя может использоваться выражение static_cast(mid.xValue() * 10) . ! Это означает, что традиционно довольно строгая граница между работой во время компиляции и работой во время выполнения начинает размываться, и некоторые вычисления, традиционно являющиеся вычислениями времени выполнения, могут перейти на стадию компиляции. Чем больший код участвует в таком переходе, тем быстрее будет работать ваша программа. (Однако компилироваться она может существенно дольше.)