C++ if constexpr：C++17 编译期条件分支与代码生成

好的，各位观众老爷们，欢迎来到今天的C++编译期魔法课堂！今天我们要聊的是一个非常实用的C++17特性：if constexpr。 简单来说，它允许我们在编译时根据条件来选择编译哪些代码，就像拥有了一个时光穿梭机，在代码还没运行之前，就决定了哪些代码可以穿越到运行的世界，哪些代码直接被抹去。

为什么要编译期条件分支？

你可能会问，if语句不也能实现条件判断吗？没错，if语句在运行时进行判断，但有时候，我们希望在编译时就能确定某些代码是否需要存在。这有什么好处呢？

• 性能优化： 避免运行不必要的代码。想象一下，如果你的程序需要支持多种硬件平台，有些平台支持某个指令集，有些不支持。使用if constexpr，你可以在编译时就确定使用哪个版本的代码，避免运行时进行额外的判断。
• 代码精简： 减少最终生成的可执行文件的大小。不需要的代码根本就不会被编译进去。
• 静态检查： 某些错误只能在编译时发现。通过if constexpr，我们可以根据条件选择不同的类型或模板参数，从而在编译时进行更严格的类型检查。
• 模板元编程： 这是if constexpr最强大的应用之一。它可以让我们根据类型信息或其他编译期常量来选择不同的代码路径，从而实现更灵活的模板。

if constexpr的基本语法

if constexpr的语法和普通的if语句非常相似，只是多了一个constexpr关键字：

if constexpr (condition) {
  // 如果 condition 在编译时为 true，则编译这段代码
} else {
  // 如果 condition 在编译时为 false，则编译这段代码
}

这里的condition必须是一个可以在编译时求值的表达式，比如一个常量、一个constexpr函数的返回值、或者一个类型特征。

例子1：根据平台选择不同的代码

假设我们想根据操作系统选择不同的代码：

#include <iostream>

int main() {
#ifdef _WIN32
    if constexpr (true) { // 注意：这里只是为了演示，实际中应该根据宏判断
        std::cout << "Running on Windows!" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Not running on Windows!" << std::endl;
    }
#elif defined(__linux__)
    if constexpr (true) { // 注意：这里只是为了演示，实际中应该根据宏判断
        std::cout << "Running on Linux!" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Not running on Linux!" << std::endl;
    }
#else
    if constexpr (true) { // 注意：这里只是为了演示，实际中应该根据宏判断
        std::cout << "Running on an unknown platform!" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Not running on an unknown platform!" << std::endl;
    }
#endif

    return 0;
}

在这个例子中，我们使用预处理器宏来判断操作系统，然后使用if constexpr来选择不同的输出。注意，这里为了演示，if constexpr中的条件直接写了true，实际应用中应该使用预处理器宏来作为条件。

例子2：根据类型选择不同的行为

假设我们要编写一个函数，它可以打印任何类型的值。但是，对于字符串类型，我们希望使用不同的打印方式：

#include <iostream>
#include <string>
#include <type_traits>

template <typename T>
void print_value(const T& value) {
    if constexpr (std::is_same_v<T, std::string>) {
        std::cout << "String: " << value << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Value: " << value << std::endl;
    }
}

int main() {
    print_value(10);        // 输出：Value: 10
    print_value("hello");   // 输出：Value: hello
    print_value(std::string("world")); // 输出：String: world
    return 0;
}

在这个例子中，我们使用std::is_same_v这个类型特征来判断类型是否为std::string。如果是，就打印 "String: "，否则打印 "Value: "。

if constexpr与模板元编程

if constexpr是模板元编程的利器。它可以让我们根据类型信息或其他编译期常量来选择不同的代码路径。

例子3：计算阶乘

我们可以使用if constexpr来递归地计算阶乘：

template <int N>
constexpr int factorial() {
    if constexpr (N <= 1) {
        return 1;
    } else {
        return N * factorial<N - 1>();
    }
}

int main() {
    constexpr int result = factorial<5>(); // 编译时计算阶乘
    std::cout << "Factorial of 5 is: " << result << std::endl; // 输出：Factorial of 5 is: 120
    return 0;
}

在这个例子中，factorial函数是一个constexpr函数，它可以在编译时计算阶乘。if constexpr用于判断递归的终止条件。

例子4：实现一个简单的enable_if

std::enable_if是一个非常有用的模板，它可以根据条件来启用或禁用某个模板。我们可以使用if constexpr来实现一个简单的enable_if：

template <bool Condition, typename T = void>
struct enable_if {
    using type = T;
};

template <typename T>
struct enable_if<false, T> {}; // 没有 type 成员

template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_integral_v<T>, T>::type
process_integral(T value) {
    std::cout << "Processing integral: " << value << std::endl;
    return value * 2;
}

// 使用 if constexpr 模拟 enable_if
template <typename T>
auto process(T value) {
    if constexpr (std::is_integral_v<T>) {
        std::cout << "Processing integral: " << value << std::endl;
        return value * 2;
    } else {
        std::cout << "Type is not integral" << std::endl;
        return T{}; // 返回默认构造的 T
    }
}

int main() {
    int x = process(5);
    std::cout << "Result: " << x << std::endl;

    double y = process(3.14);
    std::cout << "Result: " << y << std::endl;

    return 0;
}

if constexpr与SFINAE (Substitution Failure Is Not An Error)

if constexpr 某种程度上可以替代SFINAE。SFINAE 是一种在模板参数推导过程中，如果某个模板实例化无效，编译器不会报错，而是会忽略这个模板的机制。if constexpr可以让我们在编译时根据条件选择不同的代码路径，从而避免编译错误。

例子5：检查类型是否具有某个成员函数

#include <iostream>
#include <type_traits>

template <typename T>
struct has_method {
    template <typename U>
    static constexpr auto check(U* ptr) -> decltype(ptr->my_method(), std::true_type{}) {
        return std::true_type{};
    }

    template <typename U>
    static constexpr std::false_type check(...) {
        return std::false_type{};
    }

    static constexpr bool value = decltype(check<T>(nullptr))::value;
};

struct A {
    void my_method() {}
};

struct B {};

int main() {
    std::cout << "A has my_method: " << has_method<A>::value << std::endl; // 输出：A has my_method: 1
    std::cout << "B has my_method: " << has_method<B>::value << std::endl; // 输出：B has my_method: 0

    // 使用 if constexpr
    if constexpr (has_method<A>::value) {
        std::cout << "A has my_method (using if constexpr)" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "A does not have my_method (using if constexpr)" << std::endl;
    }

    if constexpr (has_method<B>::value) {
        std::cout << "B has my_method (using if constexpr)" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "B does not have my_method (using if constexpr)" << std::endl;
    }

    return 0;
}

在这个例子中，我们使用has_method模板来检查类型是否具有my_method成员函数。if constexpr用于根据has_method<T>::value的值来选择不同的输出。

if constexpr的注意事项

• if constexpr中的条件必须是一个可以在编译时求值的表达式。
• if constexpr只能在函数体或lambda表达式中使用。
• if constexpr中的代码块必须是良构的，即使它们不会被编译。这意味着，即使if constexpr中的条件为false，else代码块中的代码也必须能够编译通过。

if constexpr与其他技术的比较

特性	优点	缺点	使用场景
if 语句	简单易懂，使用广泛。	运行时判断，有性能开销。	需要运行时进行条件判断的场景。
预处理器宏 (#ifdef)	编译时判断，避免运行时开销。	语法丑陋，可读性差，容易出错，作用域有限。	需要根据宏定义选择不同代码的场景，例如根据操作系统选择不同的代码。
std::enable_if	可以根据条件启用或禁用模板，实现更灵活的模板。	语法复杂，难以理解。	需要根据类型信息或其他编译期常量来选择不同的代码路径的场景。
if constexpr	编译时判断，避免运行时开销，语法简洁，可读性好，可以访问局部变量，可以替代SFINAE的部分功能。	只能在函数体或lambda表达式中使用，条件必须是编译时常量。	需要根据编译时常量选择不同代码路径的场景，例如根据类型信息选择不同的行为，或者根据模板参数选择不同的代码路径。

总结

if constexpr是C++17中一个非常强大的特性，它可以让我们在编译时根据条件选择不同的代码路径，从而实现更高效、更灵活的代码。它在性能优化、代码精简、静态检查和模板元编程等方面都有着广泛的应用。掌握if constexpr，可以让你的C++代码更加优雅、更加强大。

今天的编译期魔法课堂就到这里，希望大家有所收获！ 感谢各位观众老爷们的收看，我们下期再见！