c++ - 回顾C++编译时间计数器

Question

TL; DR
在尝试阅读整篇文章之前，请了解:

是所提出问题has been found by myself的解决方案，但我仍然很想知道分析是否正确；

我已将解决方案打包到fameta::counter类中，该类可以解决一些剩余的问题。你可以find it on github;

您可以在work on godbolt上看到它。

一切如何开始
自从FilipRoséen在2015年发现/发明了compile time counters via friend injection are in C++这个黑魔法之后，我就对设备有些痴迷，因此当CWG decided that functionality had to go我感到失望时，但仍然希望通过展示一些引人注目的用法可以改变他们的想法案件。
然后，几年前，我决定再次查看一下内容，以便将uberswitch es嵌套(在我看来，这是一个有趣的用例)，但发现不再适用于新的版本的可用编译器，即使issue 2118(并且仍然是)处于打开状态:代码可以编译，但计数器不会增加。
已在on Roséen's website中报告了该问题，最近也在stackoverflow上报告了该问题:Does C++ support compile-time counters?
几天前，我决定再次尝试解决问题
我想了解编译器中发生了什么变化，这些变化使看似仍然有效的C++不再起作用。为此，我在互联网上进行了广泛的搜索，以寻找有人对此进行讨论，但无济于事。因此，我已经开始进行实验并得出一些结论，我在这里发表演讲的目的是希望从这里得到比我自己更了解的反馈。
为了清楚起见，下面我将介绍Roséen的原始代码。有关其工作原理的说明，请refer to his website:

template<int N>
struct flag {
  friend constexpr int adl_flag (flag<N>);
};

template<int N>
struct writer {
  friend constexpr int adl_flag (flag<N>) {
    return N;
  }

  static constexpr int value = N;
};

template<int N, int = adl_flag (flag<N> {})>
int constexpr reader (int, flag<N>) {
  return N;
}

template<int N>
int constexpr reader (float, flag<N>, int R = reader (0, flag<N-1> {})) {
  return R;
}

int constexpr reader (float, flag<0>) {
  return 0;
}

template<int N = 1>
int constexpr next (int R = writer<reader (0, flag<32> {}) + N>::value) {
  return R;
}

int main () {
  constexpr int a = next ();
  constexpr int b = next ();
  constexpr int c = next ();

  static_assert (a == 1 && b == a+1 && c == b+1, "try again");
}

对于最近使用过的g++和clang++编译器，next()始终返回1。经过一些试验，至少对于g++而言，问题似乎在于，一旦编译器在首次调用函数时评估函数模板的默认参数，则随后进行任何调用这些函数不会触发对默认参数的重新评估，因此从不实例化新函数，而是始终引用先前实例化的函数。

第一个问题

您实际上是否同意我的诊断？

如果是，此新行为是否由标准强制规定？前一个是错误吗？

如果不是，那是什么问题？

牢记以上几点，我想出了一个解决方法:用单调递增的唯一ID标记每个next()调用，以传递给被调用者，这样没有调用是相同的，因此迫使编译器重新评估所有每次争论。
这样做似乎很麻烦，但考虑到这一点，您只能使用隐藏在类似于__LINE__函数的宏中的标准__COUNTER__或类似counter_next()的宏(如果可用)。
因此，我提出了以下内容，我以最简化的形式进行了介绍，以显示稍后将要讨论的问题。

template <int N>
struct slot;

template <int N>
struct slot {
    friend constexpr auto counter(slot<N>);
};

template <>
struct slot<0> {
    friend constexpr auto counter(slot<0>) {
        return 0;
    }
};

template <int N, int I>
struct writer {
    friend constexpr auto counter(slot<N>) {
        return I;
    }

    static constexpr int value = I-1;
};

template <int N, typename = decltype(counter(slot<N>()))>
constexpr int reader(int, slot<N>, int R = counter(slot<N>())) {
    return R;
};

template <int N>
constexpr int reader(float, slot<N>, int R = reader(0, slot<N-1>())) {
    return R;
};

template <int N>
constexpr int next(int R = writer<N, reader(0, slot<N>())+1>::value) {
    return R;
}

int a = next<11>();
int b = next<34>();
int c = next<57>();
int d = next<80>();

您可以在godbolt上观察到上面的结果，我已经为lazies截图了。

正如您所看到的，Trunkt g++和clang++的可以工作到7.0.0! ，计数器会按预期从0增加到3，但是langt_rstrong而不是7.0.0以上的clang++版本的。
为了增加侮辱性伤害，我实际上设法使clang++崩溃到了7.0.0版，方法是简单地在混合中添加一个“context”参数，从而使计数器实际上绑定(bind)到该上下文，因此可以可以在定义新上下文的任何时候重新启动，从而可以使用无限数量的计数器。使用此变体，版本7.0.0以上的clang++不会崩溃，但仍无法产生预期的结果。 Live on godbolt。
不知所措，我发现了cppinsights.io网站，该网站可以让人们看到如何以及何时实例化模板。我认为使用service发生的是，每当实例化friend constexpr auto counter(slot<N>)时，clang++ 并不实际上定义任何writer<N, I>函数。
尝试显式地为应该已经实例化的任何给定N调用counter(slot<N>)似乎为该假设奠定了基础。
但是，如果我尝试为应该已实例化的任何给定writer<N, I>和N显式实例化I，则clang++会提示重新定义了friend constexpr auto counter(slot<N>)。
为了测试以上内容，我在前面的源代码中又添加了两行。

int test1 = counter(slot<11>());
int test2 = writer<11,0>::value;

您可以自己查看所有内容on godbolt。屏幕截图如下。

因此，似乎 clang++相信它定义了一些东西，认为它没有定义，这使您的头旋转，不是吗？

第二批问题

我的变通办法是完全合法的C++，还是设法发现了另一个g++错误？

如果合法，我是否发现了一些讨厌的clang++错误？

还是我只是深入研究了未定义行为的黑暗黑社会，所以我本人是唯一应该受到指责的人？

无论如何，我都会热烈欢迎任何想帮助我摆脱困境的人，并在必要时提供令人头痛的解释。 :D

Answer 1

经过进一步调查，结果发现可以对next()函数进行较小的修改，这使代码可以在高于7.0.0的clang++版本上正常工作，但使它对于所有其他clang++版本都停止工作。

看一下下面的代码，这些代码取自我以前的解决方案。

template <int N>
constexpr int next(int R = writer<N, reader(0, slot<N>())+1>::value) {
    return R;
}

如果您注意它，从字面意义上讲所做的就是尝试读取与slot<N>关联的值，将其添加1，然后将此新值关联到相同的 slot<N>。

当slot<N>没有关联值时，取而代之的是获取与slot<Y>相关的值，且Y是小于N的最高索引，因此slot<Y>具有关联的值。

上面的代码的问题在于，即使clang++可以在g++上运行，它也可以使reader(0, slot<N>()) 永久地变为，而返回slot<N>没有关联值时返回的内容。反过来，这意味着所有插槽都与基本值0有效关联。

解决方案是将以上代码转换为以下代码:

template <int N>
constexpr int next(int R = writer<N, reader(0, slot<N-1>())+1>::value) {
    return R;
}

请注意，slot<N>()已被修改为slot<N-1>()。这是有道理的:如果我想将值与slot<N>关联，则意味着尚未关联任何值，因此尝试检索它没有任何意义。另外，我们要增加一个计数器，并且与slot<N>关联的计数器的值必须为1加上与slot<N-1>关联的值。

Eureka !

不过，这会破坏clang++版本<= 7.0.0。

结论

在我看来，我发布的原始解决方案存在概念上的错误，例如:

g++具有怪癖/错误/放松，可消除解决方案的错误并最终使代码正常工作。

> 7.0.0的

clang++版本更加严格，并且不喜欢原始代码中的错误。

≤7.0.0的

clang++版本具有导致更正后的解决方案不起作用的错误。

综上所述，以下代码适用于所有版本的g++和clang++。

#if !defined(__clang_major__) || __clang_major__ > 7
template <int N>
constexpr int next(int R = writer<N, reader(0, slot<N-1>())+1>::value) {
    return R;
}
#else
template <int N>
constexpr int next(int R = writer<N, reader(0, slot<N>())+1>::value) {
    return R;
}
#endif

该代码原样也可用于msvc。
当使用decltype(counter(slot<N>()))时，icc编译器不会触发SFINAE，而是提示因为deduce the return type of function "counter(slot<N>)"而无法使用it has not been defined。我相信这是一个错误，可以通过对counter(slot<N>)的直接结果进行SFINAE来解决。这同样适用于所有其他编译器，但是g++决定发出大量无法关闭的非常烦人的警告。因此，同样在这种情况下，#ifdef可以解决。

proof is on godbolt，在下面截图。