c++ - 如何使用常量私有(private)变量优化类成员？

Question

我正在研究一些对空间和性能优化至关重要的嵌入式设备库。

每个设备都需要一些恒定的校准系数:

• 有时可以在编译时设置
• 有时需要通过与设备对话来动态获取

当可以在编译时设置校准系数时，理论上可以大大优化类成员方法，因为许多计算都是用常量进行的。

当我可以用两种方式实例化类时，我想做一个类设计:

• 利用编译时间系数和优化方法。
• 或使用动态确定的系数和通用方法。

如果有帮助的话，因为类是单例，我类的所有成员都可以声明为静态的。

但我也很好奇如何对多个实例执行此操作，其中具有编译时间常量的实例分别使用一些特定的优化编译方法。

实际上是这样使用的:

struct CalibrationCoeff {
  uint8_t calA[12];
  uint16_t calB;
  double calC[10];
};

const CalibrationCoeff defaultCoeffs = { ... values ... };

class MyDevice {

 public:
 MyDevice(CalibrationCoeff calCoeff = defaultCoeffs) : calCoeff(calCoeff) { }

  double complexComputation(double input1, double input2);

private:
  const CalibrationCoeff calCoeff;
};

然后我像这样实例化我的类:

const CalibrationCoeff compileTimeCoeff = { ... values ...; }

MyDevice device(compileTimeCoeff);

但是我面临着两个问题:

• 我不确定编译器是否看到该类只用常量声明了一次，所以方法可以用那里的常量进行优化。

• 我不能将此类与动态系数一起使用，因为如果我使用默认系数声明该类，我以后将无法更改它们，因为它们是 const。

如果系数未在类中声明为 const，我不确定编译器是否会通过看到 compileTimeCoeff 声明为 const 来进行优化(出于某种原因，我需要在编译时实例化该类)。

有什么想法吗？即使所有成员都声明为 static，我也看不到解决方案。

问候。

更深入搜索后的一些精度:

当一个类在单独的模块中定义时，如 device.h 和 device.cpp，该模块是单独构建的。因此，编译器不可能使用 const 或 constexpr 变量来优化类的方法，因为在编译时不知道变量的值。

因此，似乎编译具有特定值优化的类方法的唯一解决方案是使用模板。

但即使 constexpr 现在在 c++ 标准中，似乎仍然不允许使用 constexpr 变量作为模板非类型参数。

此功能 is proposed用于下一个标准，但目前不允许。

因此，如果我理解得很好，要创建一些具有优化方法的特定类，唯一的方法就是使用宏。但是我失去了类型安全....

有人可以向我证实这一点或给我另一个想法......

Answer 1

看起来 const 不足以优化所有这些。幸运的是，我们 constexpr 强制编译时优化。

在下面的示例中，我在需要的地方添加了 constexpr(您可能可以使用更少的 const，这在某些地方是隐含的)

#include <cstdint>

struct CalibrationCoeff {
  int calA[2];
  int calB;
  double calC[2];
};

constexpr static const CalibrationCoeff defaultCoeffs = {{10, 20}, 30, {40.,50.}};

class MyDevice {

 public:
  constexpr MyDevice(CalibrationCoeff calCoeffArg = defaultCoeffs) : calCoeff(calCoeffArg) { }

  int complexComputation(int input);

private:
  const CalibrationCoeff calCoeff;
};

int MyDevice::complexComputation(int input) {

    return input * calCoeff.calA[1] - input * calCoeff.calA[0];
}


static const CalibrationCoeff compileTimeCoeff = {{1,2},30,{40.0,50.0}};
static MyDevice device(compileTimeCoeff);

int main(int argc, char** argv)
{
   int ret = device.complexComputation(argc);
   return ret;
}

Compiler Explorer

给出以下程序集:

MyDevice::complexComputation(int):
        mov     eax, DWORD PTR [rdi+4]
        imul    eax, esi
        imul    esi, DWORD PTR [rdi]
        sub     eax, esi
        ret
main:
        mov     eax, edi
        ret

我还为 complexComputation(和 const)+ compileTimeCoeff 和设备添加了 constexpr。有了这个，我什至在代码大小方面得到了更好的结果。不再需要函数指针，因为函数现在是隐式内联的:

main:
        mov     eax, edi
        ret

Compiler Explorer