【全网首发】性能优化利器之constexpr原创
你好，我是雨乐！
最近在升级系统和进行一些性能优化，业余时间也看一些技术书籍和视频，看了下上次更新文章的时间，大致在一个月前了，确实有点久了，所以赶紧拾起来，不能让大伙忘了我不是😁。
今天，聊聊在升级过程中的一个比较重要的优化点-编译期优化。
概述
说明符constexpr是自C++11引入，我相信很多人跟我一样，在第一次接触这个的时候，会很容易和const混淆。
从概念上理解的话，constexpr即常量表达式，重点在表达式字段，用于指定变量或函数可以在常量表达式中使用，可以(或者说一定)在编译时求值的表达式，而const则为了约束变量的访问控制，表示运行时不可以直接被修改，其往往可以在编译期和运行时进行初始化。
前面提到了constexpr是在编译阶段进行求值，那么也就是说在程序运行之前，就已经计算完成，这种无疑大大提升了程序的运行效率。因此提升运行效率就是C++11引入constexpr说明符的目的，也就是说能在编译阶段做的事情就绝不放在运行期做。
变量
代码如下：
example1.cc
int main() {
const int val = 1 + 2;
return 0;
}上述代码汇编结果如下：
main:
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov eax, 0
pop rbp
ret从上述汇编结果可以看出，在编译阶段就将val赋值成3，也就是说在编译阶段完成了求值操作。
再看另外一个示例2：
example2.cc
int Add(const int a, const int b) {
return a + b;
}
int main() {
const int val = Add(1, 2);
return 0;
}同样的，其汇编如下：
Add(int, int):
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], edi
mov DWORD PTR [rbp-8], esi
mov edx, DWORD PTR [rbp-4]
mov eax, DWORD PTR [rbp-8]
add eax, edx
pop rbp
ret
main:
push rbp
mov rbp, rsp
sub rsp, 16
mov esi, 2
mov edi, 1
call Add(int, int)
mov DWORD PTR [rbp-4], eax
mov eax, 0
leave
ret分析上述汇编，发现并没有在编译阶段进行求值，所以也就是说上述的求值过程将会延后至编译期进行。
好了，既然示例一(使用const)可以在编译期进行求值，而constexpr也可以在编译期求值，那么直接用constexpr替换示例一种的const是否可行？
example3.cc
int main() {
constexpr int val = 1 + 2;
return 0;
}接着看下汇编代码：
main:
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov eax, 0
pop rbp
ret呃😓，与示例一完全一样。。。
在上面示例2中，通过汇编代码发现其是在运行期求值，那么有没有办法在编译期求值呢？那就是使用constexpr表达式：
example4.cc
constexpr int Add(const int a, const int b) {
return a + b;
}
int main() {
const int val = Add(1, 2);
return 0;
}汇编如下：
main:
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov eax, 0
pop rbp
ret有没有发现很眼熟，对，跟示例1和示例3的结果一样，该代码较示例2的唯一区别是多了个constexpr说明符，但将求值时期从运行期放到了编译期，可想而知，效率提升那是杠杠的。。。😁
函数
constexpr也可以修饰普通函数或者成员函数，其实这块在上一节已经有提过，示例如下：
constexpr int Add(const int a, const int b) {
return a + b;
}
int main() {
const int val = Add(1, 2);
int val1 = 3;
int val2 = Add(val, val1);
return 0;
}如下：
Add(int, int):
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], edi
mov DWORD PTR [rbp-8], esi
mov edx, DWORD PTR [rbp-4]
mov eax, DWORD PTR [rbp-8]
add eax, edx
pop rbp
ret
main:
push rbp
mov rbp, rsp
sub rsp, 16
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov DWORD PTR [rbp-8], 3
mov eax, DWORD PTR [rbp-8]
mov esi, eax
mov edi, 3
call Add(int, int)
mov DWORD PTR [rbp-12], eax
mov eax, 0
leave
ret从上述汇编代码可以看出，val的求值是在编译阶段，而val2的求值则是在运行阶段，这是因为其引入了一个非const变量val1。
通过本示例，可以看出，将函数声明为constexpr可以提示效率，让编译器来决定是在编译阶段还是运行阶段来进行求值，当然了，如果想了解在编译阶段求值的各种细节规则，请参考constexpr in cppreference。
if语句
如果您目前使用C++11进行编码，那么需要仔细阅读本节，这样可以为将来的版本升级打好基础；如果您正在使用C++17进行编码，那么更得阅读本节，相信读完本节后，会有一个不一样的认识😁。
自C++17起，引入了if constexpr语句，在本节中，将借助SFINAE 和 std::enable_if来实现一个简单的Square功能，最后借助if constexpr对代码进行优化(如果对SFINAE 和 std::enable_if不是很了解的，建议自行阅读哈)。
如果有个需求，实现一个Add函数，其既支持算术类型又支持用户自定义类型：
template <typename T>
struct Number {
Number(const T& _val) :
value(_val) {}
T value;
};
template<typename T>
T Square(const T& t) {
return t + t;
}
int main() {
int i = 5;
float f = 5.0;
bool b = true;
Number<int> n(5);
auto res = Square(i); // 调用int Add(int);
auto res2 = Square(f); // 调用 float Add(float);
auto res3 = Square(b); // call bool Square(bool);
auto res4 = Square(n); //编译失败，因为Number<>没有提供operator*操作
}上述代码编译出错，因为Number<>没有提供operator*操作，所以这个时候第一个想法是修改Square函数，如下：
template<typename T>
T Square(const T& t) {
if (std::is_arithmetic<T>::value) {
return t * t;
} else {
return t.value * t.value;
}
}上述代码中，如果T是算数类型，则直接进行*操作，否则取其value进行*操作。
将上述代码进行编译，报错如下：
example5.cc: In instantiation of ‘T Square(const T&) [with T = int]’:
example5.cc:26:20: required from here
example5.cc:16:18: error: request for member ‘value’ in ‘t’, which is of non-class type ‘const int’
16 | return t.value * t.value;
| ~~^~~~~
example5.cc:16:28: error: request for member ‘value’ in ‘t’, which is of non-class type ‘const int’
16 | return t.value * t.value;
| ~~^~~~~
....以Square(i)为例，这是因为在编译的时候，会尝试int.value操作，显然int.value不存在，这就导致了上述的错误输出，为了更为清楚的显示本错误，将Square()修改如下：
int Square(const int& t) {
if (true) {
return t * t;
} else {
return t.value * t.value;
}
}这样就能很清楚的知道为什么编译失败了，因为在代码中存在t.value * t.value操作，而对于一个int来说并没有value这个变量，所以编译失败。
为了解决这个问题，我们尝试引入std::enable_if操作，如下：
template<typename T>
typename std::enable_if<std::is_arithmetic<T>::value, T>::type Square(const T& t) {
return t * t;
}
template<typename T>
typename std::enable_if<! std::is_arithmetic<T>::value, T>::type Square(const T& t) {
return t.value * t.value;
}现在有两个函数模板，如果是算术类型，则调用第一个，否则调用第二个，完整代码如下：
#include <type_traits>
template<typename T>
typename std::enable_if<std::is_arithmetic<T>::value, T>::type Square(const T& t) {
return t * t;
}
template<typename T>
typename std::enable_if<! std::is_arithmetic<T>::value, T>::type Square(const T& t) {
return t.value * t.value;
}
template <typename T>
struct Number {
Number(const T& _val) :
value(_val) {}
T value;
};
int main() {
int i = 5;
float f = 5.0;
bool b = true;
Number<int> n(5);
auto res = Square(i); // 调用int Add(int);
auto res2 = Square(f); // 调用 float Add(float);
auto res3 = Square(b); // call bool Square(bool);
auto res4 = Square(n); // 成功
return 0;
}上述代码编译成功。
在上述代码中，为了编译成功，我们引入了两个Square()模板函数借助std::enable_if来实现，代码上多少有点冗余，在这个时候，本节的主角if constexpr 出场，完整代码如下：
#include <type_traits>
template<typename T>
T Square(const T& t) {
if constexpr (std::is_arithmetic<T>::value) {
return t * t;
} else {
return t.value * t.value;
}
}
template <typename T>
struct Number {
Number(const T& _val) :
value(_val) {}
T value;
};
int main() {
int i = 5;
float f = 5.0;
bool b = true;
Number<int> n(5);
auto res = Square(i); // 调用int Add(int);
auto res2 = Square(f); // 调用 float Add(float);
auto res3 = Square(b); // call bool Square(bool);
auto res4 = Square(n); // 成功
return 0;
}编译成功。
我们借助一个Square()函数模板以及更加符合编码习惯的if语句就能解决上面的问题，且比使用std::enable_if方式更为优雅和符合阅读习惯，进而提高代码的可阅读性。
今天的文章就到这，我们下期见！
你好，我是雨乐，从业十二年有余，历经过传统行业网络研发、互联网推荐引擎研发，目前在广告行业从业8年。 目前任职某互联网公司高级技术专家一职，负责广告引擎的架构和研发。
