性能優(yōu)化利器之Constexpr
你好，我是雨樂(lè)！
最近在升級(jí)系統(tǒng)和進(jìn)行一些性能優(yōu)化，業(yè)余時(shí)間也看一些技術(shù)書(shū)籍和視頻，看了下上次更新文章的時(shí)間，大致在一個(gè)月前了，確實(shí)有點(diǎn)久了，所以趕緊拾起來(lái)，不能讓大伙忘了我不是??。
今天，聊聊在升級(jí)過(guò)程中的一個(gè)比較重要的優(yōu)化點(diǎn)-編譯期優(yōu)化。
概述
說(shuō)明符constexpr是自C++11引入，我相信很多人跟我一樣，在第一次接觸這個(gè)的時(shí)候，會(huì)很容易和const混淆。
從概念上理解的話，constexpr即常量表達(dá)式，重點(diǎn)在表達(dá)式字段，用于指定變量或函數(shù)可以在常量表達(dá)式中使用，可以(或者說(shuō)一定)在編譯時(shí)求值的表達(dá)式，而const則為了約束變量的訪問(wèn)控制，表示運(yùn)行時(shí)不可以直接被修改，其往往可以在編譯期和運(yùn)行時(shí)進(jìn)行初始化。
前面提到了constexpr是在編譯階段進(jìn)行求值，那么也就是說(shuō)在程序運(yùn)行之前，就已經(jīng)計(jì)算完成，這種無(wú)疑大大提升了程序的運(yùn)行效率。因此提升運(yùn)行效率就是C++11引入constexpr說(shuō)明符的目的，也就是說(shuō)能在編譯階段做的事情就絕不放在運(yùn)行期做。
變量
代碼如下：
example1.cc
int main() {
const int val = 1 + 2;
return 0;
}上述代碼匯編結(jié)果如下：
main:
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov eax, 0
pop rbp
ret從上述匯編結(jié)果可以看出，在編譯階段就將val賦值成3，也就是說(shuō)在編譯階段完成了求值操作。
再看另外一個(gè)示例2：
example2.cc
int Add(const int a, const int b) {
return a + b;
}
int main() {
const int val = Add(1, 2);
return 0;
}同樣的，其匯編如下：
Add(int, int):
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], edi
mov DWORD PTR [rbp-8], esi
mov edx, DWORD PTR [rbp-4]
mov eax, DWORD PTR [rbp-8]
add eax, edx
pop rbp
ret
main:
push rbp
mov rbp, rsp
sub rsp, 16
mov esi, 2
mov edi, 1
call Add(int, int)
mov DWORD PTR [rbp-4], eax
mov eax, 0
leave
ret分析上述匯編，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有在編譯階段進(jìn)行求值，所以也就是說(shuō)上述的求值過(guò)程將會(huì)延后至編譯期進(jìn)行。
好了，既然示例一(使用const)可以在編譯期進(jìn)行求值，而constexpr也可以在編譯期求值，那么直接用constexpr替換示例一種的const是否可行？
example3.cc
int main() {
constexpr int val = 1 + 2;
return 0;
}接著看下匯編代碼：
main:
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov eax, 0
pop rbp
ret呃??，與示例一完全一樣。。。
在上面示例2中，通過(guò)匯編代碼發(fā)現(xiàn)其是在運(yùn)行期求值，那么有沒(méi)有辦法在編譯期求值呢？那就是使用constexpr表達(dá)式：
example4.cc
constexpr int Add(const int a, const int b) {
return a + b;
}
int main() {
const int val = Add(1, 2);
return 0;
}匯編如下：
main:
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov eax, 0
pop rbp
ret有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)很眼熟，對(duì)，跟示例1和示例3的結(jié)果一樣，該代碼較示例2的唯一區(qū)別是多了個(gè)constexpr說(shuō)明符，但將求值時(shí)期從運(yùn)行期放到了編譯期，可想而知，效率提升那是杠杠的。。。??
函數(shù)
constexpr也可以修飾普通函數(shù)或者成員函數(shù)，其實(shí)這塊在上一節(jié)已經(jīng)有提過(guò)，示例如下：
constexpr int Add(const int a, const int b) {
return a + b;
}
int main() {
const int val = Add(1, 2);
int val1 = 3;
int val2 = Add(val, val1);
return 0;
}匯編如下：
Add(int, int):
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], edi
mov DWORD PTR [rbp-8], esi
mov edx, DWORD PTR [rbp-4]
mov eax, DWORD PTR [rbp-8]
add eax, edx
pop rbp
ret
main:
push rbp
mov rbp, rsp
sub rsp, 16
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov DWORD PTR [rbp-8], 3
mov eax, DWORD PTR [rbp-8]
mov esi, eax
mov edi, 3
call Add(int, int)
mov DWORD PTR [rbp-12], eax
mov eax, 0
leave
ret從上述匯編代碼可以看出，val的求值是在編譯階段，而val2的求值則是在運(yùn)行階段，這是因?yàn)槠湟肓艘粋€(gè)非const變量val1。
通過(guò)本示例，可以看出，將函數(shù)聲明為constexpr可以提示效率，讓編譯器來(lái)決定是在編譯階段還是運(yùn)行階段來(lái)進(jìn)行求值，當(dāng)然了，如果想了解在編譯階段求值的各種細(xì)節(jié)規(guī)則，請(qǐng)參考constexpr in cppreference。
if語(yǔ)句
如果您目前使用C++11進(jìn)行編碼，那么需要仔細(xì)閱讀本節(jié)，這樣可以為將來(lái)的版本升級(jí)打好基礎(chǔ)；如果您正在使用C++17進(jìn)行編碼，那么更得閱讀本節(jié)，相信讀完本節(jié)后，會(huì)有一個(gè)不一樣的認(rèn)識(shí)??。
自C++17起，引入了if constexpr語(yǔ)句，在本節(jié)中，將借助SFINAE 和 std::enable_if來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的Square功能，最后借助if constexpr對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化(如果對(duì)SFINAE 和 std::enable_if不是很了解的，建議自行閱讀哈)。
如果有個(gè)需求，實(shí)現(xiàn)一個(gè)Add函數(shù)，其既支持算術(shù)類(lèi)型又支持用戶自定義類(lèi)型：
template <typename T>
struct Number {
Number(const T& _val) :
value(_val) {}
T value;
};
template<typename T>
T Square(const T& t) {
return t + t;
}
int main() {
int i = 5;
float f = 5.0;
bool b = true;
Number<int> n(5);
auto res = Square(i); // 調(diào)用int Add(int);
auto res2 = Square(f); // 調(diào)用 float Add(float);
auto res3 = Square(b); // call bool Square(bool);
auto res4 = Square(n); //編譯失敗，因?yàn)镹umber<>沒(méi)有提供operator*操作
}上述代碼編譯出錯(cuò)，因?yàn)镹umber<>沒(méi)有提供operator*操作，所以這個(gè)時(shí)候第一個(gè)想法是修改Square函數(shù)，如下：
template<typename T>
T Square(const T& t) {
if (std::is_arithmetic<T>::value) {
return t * t;
} else {
return t.value * t.value;
}
}在上述代碼中，如果T是算數(shù)類(lèi)型，則直接進(jìn)行*操作，否則取其value進(jìn)行*操作。
將上述代碼進(jìn)行編譯，報(bào)錯(cuò)如下：
example5.cc: In instantiation of ‘T Square(const T&) [with T = int]’:
example5.cc:26:20: required from here
example5.cc:16:18: error: request for member ‘value’ in ‘t’, which is of non-class type ‘const int’
16 | return t.value * t.value;
| ~~^~~~~
example5.cc:16:28: error: request for member ‘value’ in ‘t’, which is of non-class type ‘const int’
16 | return t.value * t.value;
| ~~^~~~~
....以Square(i)為例，這是因?yàn)樵诰幾g的時(shí)候，會(huì)嘗試int.value操作，顯然int.value不存在，這就導(dǎo)致了上述的錯(cuò)誤輸出，為了更為清楚的顯示本錯(cuò)誤，將Square()修改如下：
int Square(const int& t) {
if (true) {
return t * t;
} else {
return t.value * t.value;
}
}這樣就能很清楚的知道為什么編譯失敗了，因?yàn)樵诖a中存在t.value * t.value操作，而對(duì)于一個(gè)int來(lái)說(shuō)并沒(méi)有value這個(gè)變量，所以編譯失敗。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們嘗試引入std::enable_if操作，如下：
template<typename T>
typename std::enable_if<std::is_arithmetic<T>::value, T>::type Square(const T& t) {
return t * t;
}
template<typename T>
typename std::enable_if<! std::is_arithmetic<T>::value, T>::type Square(const T& t) {
return t.value * t.value;
}現(xiàn)在有兩個(gè)函數(shù)模板，如果是算術(shù)類(lèi)型，則調(diào)用第一個(gè)，否則調(diào)用第二個(gè)，完整代碼如下：
#include <type_traits>
template<typename T>
typename std::enable_if<std::is_arithmetic<T>::value, T>::type Square(const T& t) {
return t * t;
}
template<typename T>
typename std::enable_if<! std::is_arithmetic<T>::value, T>::type Square(const T& t) {
return t.value * t.value;
}
template <typename T>
struct Number {
Number(const T& _val) :
value(_val) {}
T value;
};
int main() {
int i = 5;
float f = 5.0;
bool b = true;
Number<int> n(5);
auto res = Square(i); // 調(diào)用int Add(int);
auto res2 = Square(f); // 調(diào)用 float Add(float);
auto res3 = Square(b); // call bool Square(bool);
auto res4 = Square(n); // 成功
return 0;
}上述代碼編譯成功。
在上述代碼中，為了編譯成功，我們引入了兩個(gè)Square()模板函數(shù)借助std::enable_if來(lái)實(shí)現(xiàn)，代碼上多少有點(diǎn)冗余，在這個(gè)時(shí)候，本節(jié)的主角if constexpr 出場(chǎng)，完整代碼如下：
#include <type_traits>
template<typename T>
T Square(const T& t) {
if constexpr (std::is_arithmetic<T>::value) {
return t * t;
} else {
return t.value * t.value;
}
}
template <typename T>
struct Number {
Number(const T& _val) :
value(_val) {}
T value;
};
int main() {
int i = 5;
float f = 5.0;
bool b = true;
Number<int> n(5);
auto res = Square(i); // 調(diào)用int Add(int);
auto res2 = Square(f); // 調(diào)用 float Add(float);
auto res3 = Square(b); // call bool Square(bool);
auto res4 = Square(n); // 成功
return 0;
}編譯成功。
我們借助一個(gè)Square()函數(shù)模板以及更加符合編碼習(xí)慣的if語(yǔ)句就能解決上面的問(wèn)題，且比使用std::enable_if方式更為優(yōu)雅和符合閱讀習(xí)慣，進(jìn)而提高代碼的可閱讀性。
