C++11 constexpr 函数编译器错误与三元条件运算符 (? :)

Question

这段代码有什么问题？

#include <iostream>

template<unsigned int N, unsigned int P=0>
constexpr unsigned int Log2() {
    return (N <= 1) ? P : Log2<N/2,P+1>();
}

int main()
{
    std::cout << "Log2(8) = " << Log2<8>() << std::endl;
    return 0;
}

使用 gcc 4.6.3 版 (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 编译时，出现以下错误:

log2.cpp: In function ‘constexpr unsigned int Log2() [with unsigned int N = 0u, unsigned int P = 1023u]’:
log2.cpp:5:38: error: template instantiation depth exceeds maximum of 1024 (use -ftemplate-depth= to increase the maximum) instantiating ‘constexpr unsigned int Log2() [with unsigned int N = 0u, unsigned int P = 1024u]’
log2.cpp:5:38:   recursively instantiated from ‘constexpr unsigned int Log2() [with unsigned int N = 4u, unsigned int P = 1u]’
log2.cpp:5:38:   instantiated from ‘constexpr unsigned int Log2() [with unsigned int N = 8u, unsigned int P = 0u]’
log2.cpp:10:37:   instantiated from here

Answer 1

Constexpr 不是那样工作的。

简而言之，constexpr 函数也必须作为运行时函数可用。想象一下，您从函数中删除了 constexpr。然后想想为什么它不可能工作。

原因是编译器必须完全实例化函数体；它不能根据 ?: 中的条件来决定不要实例化一侧。所以它总是要实例化递归调用，导致无限递归。

无论如何，您使用的 constexpr 是错误的。当 constexpr 打算替换它时，您正在使用旧的模板元编程计算技术(将内容作为模板参数传递)。只需使用普通参数即可。

constexpr unsigned Log2(unsigned n, unsigned p = 0) {
    return (n <= 1) ? p : Log2(n / 2, p + 1);
}

std::cout << "Log2(8) = " << Log2(8) << std::endl;

编辑:我将尝试详细说明其工作原理。

当编译器遇到你的代码时，它会解析模板函数并以模板形式存储。 (编译器之间的工作方式不同。)到目前为止，一切都很好。

接下来，在 main ，编译器看到调用 Log2<8>() .它看到它必须实例化模板，所以它继续并确实这样做:它实例化 Log2<8, 0> .函数模板的主体是这样的:

return (N <= 1) ? P : Log2<N/2,P+1>();

好的，编译器看到了这个，但它不会尝试评估它。为什么会这样？它目前正在实例化一个模板，而不是计算一个值。它只是替换提供的值:

return (8 <= 1) ? 0 : Log2<8/2,0+1>();

咦，这里又多了一个模板实例化。它在条件表达式中或者左侧可以知道都没有关系。模板实例化必须完成。所以它继续计算新实例化的值，然后实例化 Log2<4, 1> :

return (4 <= 1) ? 1 : Log2<4/2,1+1>();

然后游戏又开始了。那里有一个模板实例化，它是 Log2<2, 2> :

return (2 <= 1) ? 2 : Log2<2/2,2+1>();

再一次，Log2<1,3>() :

return (1 <= 1) ? 3 : Log2<1/2,3+1>();

我有没有提到编译器不关心这些东西的语义？这只是另一个要实例化的模板:Log2<0,4> :

return (0 <= 1) ? 4 : Log2<0/2,4+1>();

然后 Log2<0,5> :

return (0 <= 1) ? 5 : Log2<0/2,5+1>();

等等，等等。在某个时候，编译器意识到它永远不会停止，并放弃了。但它绝不会说:“等等，那个三元运算符的条件为假，我不需要实例化右侧。”那是因为 C++ 标准不允许这样做。函数体必须完全实例化。

现在看看我的解决方案。没有模板。只有一个功能。编译器看到它然后说，“嘿，这是一个函数。太棒了，让我在这里调用那个函数。”然后在某个时候(可能是立即，也可能是很久以后，取决于编译器)，它可能(但在这种情况下不是强制的)说，“嘿，等等，这个函数是 constexpr我知道参数值，让我评估一下。”现在它继续评估 Log2(8, 0) .记住 body :

return (n <= 1) ? p : Log2(n / 2, p + 1);

“好的”，编译器说，“我只想知道这个函数返回什么。让我们看看，8 <= 1 是假的，所以看右边。Log2(4, 1)，嗯？让我看看那个。好的，4 <= 1 也是错误的，所以它必须是 Log2(2, 2)。那是什么，2 <= 1？也是错误的，所以它是 Log2(1, 3)。嘿，1 <= 1 是正确的，所以让我把 3 和返回它。一直到调用堆栈。”

所以它得出了答案 3。它不会进入无休止的递归，因为它是在充分了解值和语义的情况下评估函数，而不仅仅是愚蠢地构建 AST。

希望对您有所帮助。