constexpr仿函数中的成员导致运行时执行

Question

我正在使用仿函数以下列方式生成编译时计算代码（我为长代码道歉，但这是我发现重现行为的唯一方法）：

#include <array>
#include <tuple>

template <int order>
constexpr auto compute (const double h)
{
  std::tuple<std::array<double,order>,
         std::array<double,order> > paw{};

  auto xtab = std::get<0>(paw).data();
  auto weight = std::get<1>(paw).data();

  if constexpr ( order == 3 )
              {
            xtab[0] =  - 1.0E+00;
            xtab[1] =    0.0E+00;
            xtab[2] =    1.0E+00;

            weight[0] =  1.0 / 3.0E+00;
            weight[1] =  4.0 / 3.0E+00;
            weight[2] =  1.0 / 3.0E+00;
              }
  else if constexpr ( order == 4 )
              {
            xtab[0] =  - 1.0E+00;
            xtab[1] =  - 0.447213595499957939281834733746E+00;
            xtab[2] =    0.447213595499957939281834733746E+00;
            xtab[3] =    1.0E+00;

            weight[0] =  1.0E+00 / 6.0E+00;
            weight[1] =  5.0E+00 / 6.0E+00;
            weight[2] =  5.0E+00 / 6.0E+00;
            weight[3] =  1.0E+00 / 6.0E+00;
              }

  for (auto & el : std::get<0>(paw))
      el = (el + 1.)/2. * h ;

  for (auto & el : std::get<1>(paw))
    el = el/2. * h ;

  return paw;
}


template <std::size_t n>
class Basis
{
public:

  constexpr Basis(const double h_) :
    h(h_),
    paw(compute<n>(h)),
    coeffs(std::array<double,n>())
  {}

  const double h ;
  const std::tuple<std::array<double,n>,
           std::array<double,n> > paw ;
  const std::array<double,n> coeffs ;

  constexpr double operator () (int i, double x) const
  {
    return 1. ;
  }

}; 

template <std::size_t n,std::size_t p,typename Ltype,typename number=double>
class Functor
{
 public:
  constexpr Functor(const Ltype L_):
    L(L_)
  {}

  const Ltype L ;

  constexpr auto operator()(const auto v) const 
  {
    const auto l = L;
    // const auto l = L();
    std::array<std::array<number,p+1>,p+1> CM{},CM0{},FM{};
    const auto basis = Basis<p+1>(l);
    typename std::remove_const<typename std::remove_reference<decltype(v)>::type>::type w{};

    for (auto i = 0u; i < p + 1; ++i)
      CM0[i][0] += l;
    for (auto i = 0u ; i < p+1 ; ++i)
      for (auto j = 0u ; j < p+1 ; ++j)
        {
          w[i] += CM0[i][j]*v[j];
        }
    for (auto b = 1u ; b < n-1 ; ++b)
      for (auto i = 0u ; i < p+1 ; ++i)
        for (auto j = 0u ; j < p+1 ; ++j)
          {
            w[b*(p+1)+i] += CM[i][j]*v[b*(p+1)+j];
            w[b*(p+1)+i] += FM[i][j]*v[(b+1)*(p+1)+j];
          }
    return w ;
  }
};

int main(int argc,char *argv[])
{
  const auto nel = 4u;
  const auto p = 2u;
  std::array<double,nel*(p+1)> x{} ;
  constexpr auto L = 1.;
  // constexpr auto L = [](){return 1.;};
  const auto A = Functor<nel,p,decltype(L)>(L);
  const volatile auto y = A(x);
  return 0;
}

我用GCC 8.2.0编译带有标志：

-march=native -std=c++1z -fconcepts -Ofast -Wa,-adhln

在查看生成的程序集时，计算正在运行时执行。

如果我更改了紧接在下面的行注释的两行，我发现代码确实在编译时执行，并且只是volatile变量的值放在程序集中。

我试图生成一个更小的示例来重现行为，但代码中的小变化确实在编译时计算。

我不明白地理解为什么提供constexpr lambdas会有所帮助，但我想理解为什么在这种情况下提供double不起作用。理想情况下，我不想提供lambdas，因为它让我的前端变得更加混乱。

这段代码是一个非常大的代码库的一部分，所以请忽略代码实际计算的内容，我创建了这个示例以显示行为，仅此而已。

在不改变编译时行为的情况下，为仿函数提供双精度并将其存储为const成员变量的正确方法是什么？

为什么compute()函数中的小修改（例如，其他小的修改也这样做）确实产生编译时代码？

我想了解GCC提供这些编译时计算的实际条件是什么，因为我正在使用的实际应用程序需要它。

谢谢！

Answer 1

无法理解代码执行时的运行时和编译时的执行时间，无论如何C ++语言的规则（不仅是g ++而忽略了as-if规则）是constexpr函数

• 可以执行运行时，并且必须在计算值知道运行时时执行运行时（例如：来自标准输入的值）
• 可以执行编译时，并且必须在编译时执行编译时知道值严格要求的情况下执行编译时（例如：constexpr变量的初始化，非类型模板参数，C样式数组维度，static_assert()测试）
• 有一个灰色区域 - 当编译器知道计算编译时涉及的值但计算值不是严格要求编译时值的地方 - 编译器可以选择计算编译时还是运行 - 时间。

如果你有兴趣

const volatile auto y = A(x);

在我看来，我们处于灰色区域，编译器可以选择是否计算y编译时或运行时的初始值。

如果你想要一个y初始化编译时，我想你可以获得这个定义它（以及前面的变量）constexpr

  constexpr auto nel = 4u;
  constexpr auto p = 2u;
  constexpr std::array<double,nel*(p+1)> x{} ;
  constexpr auto L = 1.;
  // constexpr auto L = [](){return 1.;};
  constexpr auto A = Functor<nel,p,decltype(L)>(L);
  constexpr volatile auto y = A(x);

Answer 2

for (auto i = 0u; i < p + 1; ++i)
  CM0[i][0] += l;

当l是无状态lambda类型时，它将l转换为函数类型，然后转换为bool（整数类型）。允许这两步转换，因为只有一个是“用户定义的”。

此转换始终生成1，并且不依赖于l的状态。