Item 9 - constexpr (中文)

constexpr 關鍵字

C++11 引入了 constexpr 關鍵字，用於宣告可以在編譯時求值的函數或變數。 這樣的函數或變數可以在編譯時被求值，而不是在運行時，從而提高了程式的性能和效率。 constexpr 的使用時機通常是在需要在編譯時計算值的情況下，例如在模板元編程中、在宣告常數表達式時等。

簡單的來說，就是把執行時計算的時間移到 complie 時。

這麼好要不要全部 function 都改成 constexpr ? No !

不適合使用 constexpr 的一些例子

1. 需要在運行時決定的情況： 如果變數的值需要在程式運行時才能確定，而不是在編譯時就能決定，那麼就不適合使用 constexpr。比如從使用者輸入獲取的數值，或者需要從外部文件讀取的數值。

2. 依賴外部狀態的情況： 如果函數或變數的計算依賴於外部狀態的變化，而該外部狀態無法在編譯時獲取，那麼也不適合使用 constexpr。例如需要訪問系統時間或文件系統狀態的情況。

3. 過於複雜的運算邏輯： 如果函數或變數的計算邏輯過於複雜，無法在編譯時完全展開和求值，那麼也不適合使用 constexpr。constexpr 函數的計算在編譯時進行，如果計算邏輯過於複雜會增加編譯時間和編譯器的負擔。

驗證

以下我們特別來驗證 constexpr 增加編譯時間的部分。

計算的絕對時間不是重點，因為硬體等其他因素會造成每個電腦上編譯時間都不同， 但相對時間的差異，確實可以看出效果。

constexpr int result = fibonacci_constexpr(27);

其他三次分別為: 3.9, 3.8, 3.4 秒

int result = fibonacci_constexpr(27);

其他三次分別為: 1.8, 1.9, 1.8 秒

#include <iostream>
#include <chrono>

 constexpr int fibonacci_constexpr(int n) {
     return (n <= 1) ? n : fibonacci_constexpr(n - 1) + fibonacci_constexpr(n - 2);
 }

 int fibonacci(int n) {
     return (n <= 1) ? n : fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
 }

 int main() {


     auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();

     // 在編譯時求值
     constexpr int result = fibonacci_constexpr(27);

     auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();

     std::chrono::duration<double> duration = end - start;

     std::cout << "Calculate at compile time: " << std::endl;
     std::cout << "time: " << duration.count() << " (s)" << std::endl;

     std::cout << "-----------------" << std::endl;

     start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
     // 在 runtime 時求值
     int result2 = fibonacci(27);

     end = std::chrono::high_resolution_clock::now();

     duration = end - start;
     std::cout << "Calculate at run time: " << std::endl;
     std::cout << "time: " << duration.count() << " (s)" << std::endl;


     return 0;
 }

結果

執行時計算時間，而 fibonacci_constexpr(27) 在 compile 時已經計算完畢，在執行時只是一個常數被帶入。 因此執行速度很快。 反之，fibonacci 在 runtime 時才去計算，可以從計算時間看出巨大的差異。

應該很清楚了吧，哈 !