c++ - constexpr函数中的静态constexpr变量

Question

static函数内部不允许使用constexpr变量。这是有道理的，因为static将向假定为纯函数的状态引入状态。

但是，我不明白为什么我们在static constexpr函数中不能有constexpr变量。确保始终具有相同的值，因此该函数将保持纯净。

我为什么要在乎？因为static在运行时会有所不同。考虑以下代码:

#include <array>

constexpr int at(const std::array<int, 100>& v, int index)
{
    return v[index];
}

int foo1(int i) {
    static constexpr std::array<int, 100> v = { 
        5, 7, 0, 0, 5  // The rest are zero
    };
    return at(v, i);
}

constexpr int foo2(int i) {
    constexpr std::array<int, 100> v = { 
        5, 7, 0, 0, 5  // The rest are zero
    };
    return at(v, i);
}

int foo2_caller(int i) {
    return foo2(i);
}

现场直播: https://gcc.godbolt.org/z/umdXgv
foo1具有3条asm指令，因为它将缓冲区存储在静态存储器中。 foo2具有15条asm指令，因为需要在每次调用时分配和初始化缓冲区，并且编译器无法对其进行优化。

请注意，此处 foo1仅用于显示 foo2中的缺陷。我想编写一个在编译和运行时都可以使用的函数。这就是 foo2背后的想法。但是我们看到它不能像仅运行时的 foo1那样高效，这令人不安。

我找到了唯一有意义的相关讨论 is this，但它没有专门讨论 static constexpr。

问题是:

我的推理正确吗，还是我错过了static constexpr变量可能引起的一些问题？

是否有解决此问题的建议？

Answer 1

Is my reasoning correct, or do I miss some problem that static constexpr variables might cause?

如果在 constexpr上下文中允许静态存储持续时间，则在处理 constexpr变量时，有一些边缘情况需要考虑静态存储持续时间。
函数中具有静态存储持续时间的对象仅在首次进入函数时构造。通常，这时通常将存储支持应用于常量(对于运行时常量)。如果在 static constexpr上下文中允许使用 constexpr，则在编译时生成该代码时，必须发生以下两种情况之一:

现在，在编译时执行该函数必须为静态常量生成存储支持，以防万一使用ODR －即使在运行时从未使用过该函数(这将是非零开销)，或者是

现在，在编译时执行该函数必须立即创建一个常量，该常量将在每次调用时实例化，并最终在分支使用运行时上下文调用该常量时给定存储空间(无论是否在编译时生成)。这会违反静态存储持续时间对象的现有规则。

由于 constexpr在整个上下文中本质上是无状态的，因此在 constexpr函数调用期间应用静态存储对象会突然在 constexpr调用之间添加状态-对于 constexpr的当前规则而言，这是一个很大的变化。尽管 constexpr函数可以修改本地状态，但该状态不会受到全局影响。
C++ 20还放宽了 constexpr的要求，以允许析构函数成为constexpr，这引发了更多问题，例如在上述情况下何时必须执行析构函数。
我并不是说这不是一个可以解决的问题；只是现有的语言设施使解决这个问题变得有些复杂，而又没有违反某些规则。
使用自动存储持续时间对象，这很容易推断-因为存储是在特定的时间点连贯创建和销毁的。

Are there any proposals to fix this?

我所不知道的。各个Google小组都在讨论有关它的规则，但是我还没有看到关于它的任何建议。如果有人知道，请在评论中将其链接，然后我将更新我的答案。
解决方法
您可以通过几种方法来避免此限制，具体取决于您所需的API是什么，以及要求是什么:

将该常量放入文件范围，也许在detail命名空间下。这使您始终处于全局状态，这可能无法满足您的要求。

将常量放入static/struct中的class常量中。如果需要对数据进行模板化，则可以使用此方法，并允许您使用private和friend船来控制对此常量的访问。

使该函数成为包含数据的static/struct上的class函数(如果这符合您的要求)。

如果方法1仅适用于C++ 14(C++ 11没有可变模板)，则尽管方法1仅适用于C++ 14，但所有这三种方法都可以很好地工作，而方法2和3可以在C++中使用。 11。
我认为，封装方面最干净的解决方案是将数据和作用函数都移到 struct或 class中的第三种方法。这样可以使数据与功能紧密相关。例如:

class foo_util
{
public:
    static constexpr int foo(int i); // calls at(v, i);
private:
    static constexpr std::array<int, 100> v = { ... };
};

Compiler Explorer Link
这将生成与 foo1方法相同的程序集，同时仍允许它成为 constexpr。

如果无法根据您的要求将函数扔到 class或 struct中(也许这需要是一个自由函数？)，那么您就不得不将数据移到文件范围(也许受 detail命名空间约定保护) ，或将其放入处理数据的不连续的 struct或 class中。后一种方法可以使用访问修饰符和友元来控制数据访问。此解决方案可以工作，尽管它显然不是那么干净:

#include <array>

constexpr int at(const std::array<int, 100>& v, int index)
{
    return v[index];
}

constexpr int foo(int i);
namespace detail {
    class foo_holder
    {
    private:
        static constexpr std::array<int, 100> v = { 
            5, 7, 0, 0, 5  // The rest are zero
        };
        friend constexpr int ::foo(int i);
    };
} // namespace detail

constexpr int foo(int i) {
    return at(detail::foo_holder::v, i);
}

Compiler Explorer Link。
同样，这会产生与 foo1相同的程序集，同时仍然允许它成为 constexpr。