C++ `std::is_constant_evaluated()`：C++20 运行时判断是否在编译期求值

好的，各位观众，欢迎来到今天的“C++冷知识大放送”环节！今天我们要聊的是一个非常神奇，但可能你平时不太注意的C++20新特性：std::is_constant_evaluated()。

什么是std::is_constant_evaluated()？

简单来说，std::is_constant_evaluated() 是一个C++20引入的constexpr函数，它的作用是在运行时判断当前代码是否在编译期被求值。是不是听起来有点绕？没关系，咱们慢慢来。

想象一下，你写了一个C++程序，编译器会尽力在编译时做优化，比如把一些常量表达式直接计算出来，避免在运行时再做重复的计算。这就叫做编译期求值。但是，有些表达式只能在运行时才能确定值，比如读取用户输入，或者调用一些依赖于系统状态的函数。

std::is_constant_evaluated() 就像一个“间谍”，它可以告诉你，当前的代码到底是在编译期“秘密进行”，还是在运行时“光明正大”地执行。

为什么要用std::is_constant_evaluated()？

你可能会问，知道了这个有什么用呢？嗯，用处可大了！它可以让你写出更加灵活、高效的代码。

1. 编译期优化： 它可以帮助你识别哪些代码可以安全地在编译期执行，从而提高程序的运行效率。
2. 代码分支选择： 它可以根据当前是否在编译期求值，选择不同的代码分支执行，实现编译期和运行时的不同行为。
3. 编译时错误检查： 它可以用来在编译期进行更严格的错误检查，避免一些潜在的运行时错误。
4. 模板元编程： 它可以与模板元编程结合，实现更强大的编译期计算和代码生成。

std::is_constant_evaluated() 的基本用法

std::is_constant_evaluated() 函数不接受任何参数，返回一个 bool 值。如果当前代码在编译期求值，则返回 true，否则返回 false。

让我们来看一个简单的例子：

#include <iostream>
#include <type_traits>

constexpr int square(int x) {
  if (std::is_constant_evaluated()) {
    std::cout << "编译期计算 square(" << x << ")" << std::endl;
    return x * x;
  } else {
    std::cout << "运行时计算 square(" << x << ")" << std::endl;
    return x * x;
  }
}

int main() {
  constexpr int compile_time_result = square(5); // 编译期计算
  int runtime_value = 10;
  int runtime_result = square(runtime_value); // 运行时计算

  std::cout << "编译期结果: " << compile_time_result << std::endl;
  std::cout << "运行时结果: " << runtime_result << std::endl;

  return 0;
}

在这个例子中，square() 函数内部使用了 std::is_constant_evaluated() 来判断当前是否在编译期求值。如果是在编译期求值，就输出 "编译期计算"，否则输出 "运行时计算"。

运行这个程序，你会看到类似这样的输出：

编译期计算 square(5)
运行时计算 square(10)
编译期结果: 25
运行时结果: 100

可以看到，compile_time_result 的计算是在编译期完成的，而 runtime_result 的计算是在运行时完成的。

std::is_constant_evaluated() 的高级用法

除了基本的用法之外，std::is_constant_evaluated() 还可以与模板元编程结合，实现更强大的功能。

1. 编译期分支选择

我们可以使用 std::is_constant_evaluated() 来根据当前是否在编译期求值，选择不同的代码分支执行。这可以用来实现编译期和运行时的不同行为。

#include <iostream>
#include <type_traits>

template <typename T>
constexpr T process_value(T value) {
  if (std::is_constant_evaluated()) {
    // 编译期处理
    std::cout << "编译期处理: " << value << std::endl;
    return value * 2;
  } else {
    // 运行时处理
    std::cout << "运行时处理: " << value << std::endl;
    return value * 3;
  }
}

int main() {
  constexpr int compile_time_result = process_value(5); // 编译期处理
  int runtime_value = 10;
  int runtime_result = process_value(runtime_value); // 运行时处理

  std::cout << "编译期结果: " << compile_time_result << std::endl;
  std::cout << "运行时结果: " << runtime_result << std::endl;

  return 0;
}

在这个例子中，process_value() 函数根据当前是否在编译期求值，选择不同的处理方式。如果在编译期求值，就将值乘以2，否则将值乘以3。

运行这个程序，你会看到类似这样的输出：

编译期处理: 5
运行时处理: 10
编译期结果: 10
运行时结果: 30

2. 编译期错误检查

我们可以使用 std::is_constant_evaluated() 来在编译期进行更严格的错误检查，避免一些潜在的运行时错误。

#include <iostream>
#include <type_traits>

constexpr int divide(int a, int b) {
  if (std::is_constant_evaluated() && b == 0) {
    // 编译期错误
    static_assert(false, "编译期除数不能为0");
  }
  return a / b;
}

int main() {
  constexpr int compile_time_result = divide(10, 2); // 编译期计算
  //constexpr int compile_time_error = divide(10, 0); // 编译期错误

  int runtime_value = 0;
  int runtime_result = divide(10, runtime_value); // 运行时错误 (未定义行为)

  std::cout << "编译期结果: " << compile_time_result << std::endl;
  std::cout << "运行时结果: " << runtime_result << std::endl;

  return 0;
}

在这个例子中，divide() 函数在编译期检查除数是否为0。如果是0，则会触发一个编译期错误。注意，如果除数为0的情况发生在运行时，则会导致未定义行为。

3. 模板元编程

std::is_constant_evaluated() 可以与模板元编程结合，实现更强大的编译期计算和代码生成。 这部分比较复杂，我们先简单介绍一下概念，后面可以深入探讨。

例如，你可以根据编译期是否求值来选择不同的模板特化，从而实现不同的编译期计算逻辑。

std::is_constant_evaluated() 的注意事项

1. 只能在 constexpr 函数中使用： std::is_constant_evaluated() 只能在 constexpr 函数中使用。如果在非 constexpr 函数中使用，会导致编译错误。

2. 并非总是可靠： 虽然 std::is_constant_evaluated() 尽力判断，但并不能保证100%的准确。 有些情况下，编译器可能会选择在运行时进行计算，即使理论上可以在编译期完成。

3. 不要过度依赖： std::is_constant_evaluated() 只是一个辅助工具，不要过度依赖它来编写代码。 应该尽量编写清晰、简洁、高效的代码，而不是过度依赖编译期优化。

总结

std::is_constant_evaluated() 是一个非常有用的C++20新特性，它可以帮助你写出更加灵活、高效的代码。 它可以用于编译期优化、代码分支选择、编译时错误检查和模板元编程等场景。

下面是一个表格，总结了std::is_constant_evaluated()的特点和用法：

特性/用法	描述
定义	C++20引入的constexpr函数，用于判断当前代码是否在编译期求值。
返回值	bool类型：true表示在编译期求值，false表示在运行时求值。
使用场景	1. 编译期优化：识别可编译期计算的代码，提高效率。 2. 代码分支选择：根据编译期/运行时选择不同的代码分支。 3. 编译时错误检查：在编译期进行更严格的错误检查。 4. 模板元编程：与模板元编程结合，实现更强大的编译期计算。
注意事项	1. 只能在constexpr函数中使用。 2. 并非总是100%可靠。 3. 不要过度依赖，尽量编写清晰简洁的代码。
示例代码	cpp constexpr int square(int x) { if (std::is_constant_evaluated()) { std::cout << "编译期计算 square(" << x << ")" << std::endl; return x * x; } else { std::cout << "运行时计算 square(" << x << ")" << std::endl; return x * x; } }
与模板元编程结合	根据编译期是否求值选择不同的模板特化，实现不同的编译期计算逻辑。（高级用法，更复杂）

深入探讨（可选）

如果你对 std::is_constant_evaluated() 感兴趣，可以进一步研究以下内容：

1. constexpr 函数的限制： 了解 constexpr 函数的各种限制，例如只能调用其他的 constexpr 函数，不能有副作用等。
2. 编译期常量表达式： 深入理解编译期常量表达式的概念，以及如何编写可以在编译期计算的表达式。
3. 模板元编程： 学习模板元编程的基本技巧，例如模板特化、std::enable_if 等。
4. 编译器优化： 了解编译器是如何进行编译期优化的，以及如何利用 std::is_constant_evaluated() 来帮助编译器进行优化。

总结的总结

总而言之，std::is_constant_evaluated() 是一个强大而有趣的工具，它可以帮助你更好地理解C++编译器的行为，并编写出更加高效、可靠的代码。希望今天的讲解能够让你对它有更深入的了解！

感谢大家的观看，下次再见！