C++20. Два новых ключевых слова: consteval и constinit / Ravesli

Стандарт C++20 принес нам два новых ключевых слова: consteval и constinit. Ключевое слово consteval объявляет функцию, результат которой вычисляется на этапе компиляции, а ключевое слово constinit гарантирует, что переменная будет инициализирована на этапе компиляции.

Прочитав предоставленное выше описание ключевых слов consteval и constinit, у вас может сложиться впечатление, что их действия очень напоминают действие спецификатора constexpr. Поэтому, прежде чем сравнивать между собой работу спецификаторов consteval, constinit, constexpr и старого доброго const, мы пройдемся по новым спецификаторам consteval и constinit.

Оглавление:

Спецификатор consteval
Спецификатор constinit
Выполнение функций
Инициализация переменных

Спецификатор consteval

Спецификатор consteval определяет так называемую безотлагательную функцию. Каждый вызов безотлагательной функции создает константу времени компиляции. Говоря простыми словами, consteval-функция выполняется во время компиляции.

consteval int sqr(int n) {
    return n * n;
}

consteval int sqr(int n) {

return n * n;

}

Спецификатор consteval не может быть применен к деструкторам или функциям, которые выделяют/освобождают память. В объявлении функции допускается использование не более одного спецификатора consteval, constexpr или constinit. Безотлагательная функция неявно является встроенной функцией и должна удовлетворять требованиям constexpr-функции.

В C++14 есть свои требования к constexpr-функциям и, следовательно, consteval-функциям.

constexpr-функция может:

иметь инструкции условного перехода или инструкции цикла;

иметь больше, чем одну инструкцию;

вызывать constexpr-функции. В то же время consteval-функция может вызывать только constexpr-функцию, но не наоборот;

иметь фундаментальные типы данных, которые должны быть инициализированы с помощью константного значения.

сonstexpr-функции не могут иметь статических или thread_local (локальных для потока) данных. Также они не могут иметь ни блока try, ни оператора goto.

Ниже представлен пример использования consteval-функции sqr():

// constevalSqr.cpp

#include <iostream>

consteval int sqr(int n) {
    return n * n;
}

int main() 
{    
    std::cout << "sqr(5): " << sqr(5) << std::endl; // (1)
    
    const int a = 5; // (2)
    std::cout << "sqr(a): " << sqr(a) << std::endl;     

    int b = 5; // (3)
    // std::cout << "sqr(b): " << sqr(b) << std::endl; Ошибка
}

// constevalSqr.cpp

#include <iostream>

consteval int sqr(int n) {

return n * n;

}

int main()

{

std::cout << "sqr(5): " << sqr(5) << std::endl; // (1)

const int a = 5; // (2)

std::cout << "sqr(a): " << sqr(a) << std::endl;

int b = 5; // (3)

// std::cout << "sqr(b): " << sqr(b) << std::endl; Ошибка

}

Результат выполнения программы:

sqr(5): 25 sqr(a): 25

Число 5 является константным значением и может использоваться в качестве аргумента для функции sqr() (вариант №1).

То же самое справедливо и для переменной a (вариант №2). Константная переменная, такая как a, может использоваться в константном выражении, когда она инициализируется константным значением.

Переменная b (вариант №3) не является константной переменной. Следовательно, вызов функции sqr(b) не является допустимым.

Спецификатор constinit

Спецификатор constinit может быть применен к переменным, имеющим статическую продолжительность жизни или продолжительность жизни потока:

Глобальные переменные, статические переменные или статические члены класса имеют статическую продолжительность жизни. Эти объекты создаются при запуске программы и освобождаются при её завершении.

Переменные типа thread_local имеют продолжительность жизни потока, т.е. создаются (в начале своего использования) для каждого потока, работающего с этими данными, и принадлежат исключительно потоку.

Спецификатор constinit гарантирует, что вышеперечисленные переменные будут инициализированы во время компиляции:

// constinitSqr.cpp

#include <iostream>

consteval int sqr(int n) {
    return n * n;
}

    constexpr auto res1 = sqr(5);                  
    constinit auto res2 = sqr(5);                 

int main() 
{
    std::cout << "sqr(5): " << res1 << std::endl;
    std::cout << "sqr(5): " << res2 << std::endl;
   
    constinit thread_local auto res3 = sqr(5);     
    std::cout << "sqr(5): " << res3 << std::endl;
}

// constinitSqr.cpp

#include <iostream>

consteval int sqr(int n) {

return n * n;

}

constexpr auto res1 = sqr(5);

constinit auto res2 = sqr(5);

int main()

{

std::cout << "sqr(5): " << res1 << std::endl;

std::cout << "sqr(5): " << res2 << std::endl;

constinit thread_local auto res3 = sqr(5);

std::cout << "sqr(5): " << res3 << std::endl;

}

Результат выполнения программы:

sqr(5): 25 sqr(5): 25 sqr(5): 25

Переменные res1 и res2 имеют статическую продолжительность жизни. Переменная res3 имеет продолжительность жизни потока.

Выполнение функций

Следующая программа имеет 3 версии функции возведения числа в квадрат:

// consteval.cpp

#include <iostream>

int sqrRunTime(int n) {
    return n * n;
}

consteval int sqrCompileTime(int n) {
    return n * n;
}

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

int main() 
{
    // constexpr int prod1 = sqrRunTime(100); Ошибка №1
    constexpr int prod2 = sqrCompileTime(100);
    constexpr int prod3 = sqrRunOrCompileTime(100);
    
    int x = 100;
    
    int prod4 = sqrRunTime(x); 
    // int prod5 = sqrCompileTime(x); Ошибка №2
    int prod6 = sqrRunOrCompileTime(x);
}

// consteval.cpp

#include <iostream>

int sqrRunTime(int n) {

return n * n;

}

consteval int sqrCompileTime(int n) {

return n * n;

}

constexpr int sqrRunOrCompileTime(int n) {

return n * n;

}

int main()

{

// constexpr int prod1 = sqrRunTime(100); Ошибка №1

constexpr int prod2 = sqrCompileTime(100);

constexpr int prod3 = sqrRunOrCompileTime(100);

int x = 100;

int prod4 = sqrRunTime(x);

// int prod5 = sqrCompileTime(x); Ошибка №2

int prod6 = sqrRunOrCompileTime(x);

}

Рассмотрим вышеприведенные функции:

sqrRunTime() — это обычная функция, работающая во время выполнения программы;

consteval-функция sqrCompileTime() выполняется во время компиляции;

constexpr-функция sqrRunOrCompileTime() может работать во время компиляции или во время выполнения программы.

Запрос результата во время компиляции с помощью sqrRunTime() (ошибка №1) является ошибкой, как и использование неконстантного значения в качестве аргумента для sqrCompileTime() (ошибка №2).

Разница между constexpr-функцией sqrRunOrCompileTime() и consteval-функцией sqrCompileTime() заключается в том, что sqrRunOrCompileTime() будет выполняться во время компиляции только тогда, когда этого требует контекст:

static_assert(sqrRunOrCompileTime(100) == 100); // compile-time (1)
int arrayNewWithConstExpressioFunction[sqrRunOrCompileTime(100)]; // compile-time (1)
constexpr int prod = sqrRunOrCompileTime(100); // compile-time (1)

int a = 100;
int runTime = sqrRunOrCompileTime(a); // run-time (2)

int runTimeOrCompiletime = sqrRunOrCompileTime(100); // run-time или compile-time (3)

int allwaysCompileTime = sqrCompileTime(100); // compile-time (4)

static_assert(sqrRunOrCompileTime(100) == 100); // compile-time (1)

int arrayNewWithConstExpressioFunction[sqrRunOrCompileTime(100)]; // compile-time (1)

constexpr int prod = sqrRunOrCompileTime(100); // compile-time (1)

int a = 100;

int runTime = sqrRunOrCompileTime(a); // run-time (2)

int runTimeOrCompiletime = sqrRunOrCompileTime(100); // run-time или compile-time (3)

int allwaysCompileTime = sqrCompileTime(100); // compile-time (4)

Первые три строки (1) требуют вычислений во время компиляции. Строка (2) может быть вычислена только во время выполнения программы, поскольку переменная a не является константой. Наиболее важной для нас является строка (3) — функция может быть выполнена во время компиляции или во время выполнения программы. Решение о времени выполнения зависит от компилятора и применяемого уровня оптимизации. Это замечание не относится к строке (4) — consteval-функция всегда выполняется во время компиляции.

Инициализация переменных

В следующей программе происходит сравнение ключевых слов const, constexpr и constinit:

// constexprConstinit.cpp

#include <iostream>

constexpr int constexprVal = 1000;
constinit int constinitVal = 1000;

int incrementMe(int val){ return ++val;}

int main() 
{
    auto val = 1000;
    const auto res = incrementMe(val); // (1)                         
    std::cout << "res: " << res << std::endl;
    
    // std::cout << "res: " << ++res << std::endl; Ошибка (2)
    // std::cout << "++constexprVal++: " << ++constexprVal << std::endl; Ошибка (2)
    std::cout << "++constinitVal++: " << ++constinitVal << std::endl; // (3)

    constexpr auto localConstexpr = 1000; // (4)
    // constinit auto localConstinit = 1000; Ошибка 
}

// constexprConstinit.cpp

#include <iostream>

constexpr int constexprVal = 1000;

constinit int constinitVal = 1000;

int incrementMe(int val){ return ++val;}

int main()

{

auto val = 1000;

const auto res = incrementMe(val); // (1)

std::cout << "res: " << res << std::endl;

// std::cout << "res: " << ++res << std::endl; Ошибка (2)

// std::cout << "++constexprVal++: " << ++constexprVal << std::endl; Ошибка (2)

std::cout << "++constinitVal++: " << ++constinitVal << std::endl; // (3)

constexpr auto localConstexpr = 1000; // (4)

// constinit auto localConstinit = 1000; Ошибка

}

Результат выполнения программы:

res: 1001 ++constinitVal++: 1001

Во время выполнения программы инициализируется только const-переменная (1). constexpr- и constinit-переменные инициализируются во время компиляции.

constinit (3) не подразумевает константности как const (2) или constexpr(2). Переменная, объявленная как constexpr (4) или const (1), может быть локальной, а переменная, объявленная как constinit — нет.

Оценить статью:

(29 оценок, среднее: 4,86 из 5)

Загрузка...

Комментариев: 2

somebox:

22 ноября 2020 в 13:01

>constinit не подразумевает константности

Интересно, а почему она тогда так называется?

Ответить
1. Дмитрий Бушуев:
  
  22 ноября 2020 в 19:10
  
  В данном случае подразумевается, что переменная будет статически инициализирована постоянным значением.
  
  Ответить

C++20. Два новых ключевых слова: consteval и constinit

Спецификатор consteval

Спецификатор constinit

Выполнение функций

Инициализация переменных

Комментариев: 2

Добавить комментарий Отменить ответ