性能優化利器之Constexpr
你好，我是雨樂！
最近在升級系統和進行一些性能優化，業余時間也看一些技術書籍和視頻，看了下上次更新文章的時間，大致在一個月前了，確實有點久了，所以趕緊拾起來，不能讓大伙忘了我不是??。
今天，聊聊在升級過程中的一個比較重要的優化點-編譯期優化。
概述
說明符constexpr是自C++11引入，我相信很多人跟我一樣，在第一次接觸這個的時候，會很容易和const混淆。
從概念上理解的話，constexpr即常量表達式，重點在表達式字段，用于指定變量或函數可以在常量表達式中使用，可以(或者說一定)在編譯時求值的表達式，而const則為了約束變量的訪問控制，表示運行時不可以直接被修改，其往往可以在編譯期和運行時進行初始化。
前面提到了constexpr是在編譯階段進行求值，那么也就是說在程序運行之前，就已經計算完成，這種無疑大大提升了程序的運行效率。因此提升運行效率就是C++11引入constexpr說明符的目的，也就是說能在編譯階段做的事情就絕不放在運行期做。
變量
代碼如下：
example1.cc
int main() {
const int val = 1 + 2;
return 0;
}上述代碼匯編結果如下：
main:
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov eax, 0
pop rbp
ret從上述匯編結果可以看出，在編譯階段就將val賦值成3，也就是說在編譯階段完成了求值操作。
再看另外一個示例2：
example2.cc
int Add(const int a, const int b) {
return a + b;
}
int main() {
const int val = Add(1, 2);
return 0;
}同樣的，其匯編如下：
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分析上述匯編，發現并沒有在編譯階段進行求值，所以也就是說上述的求值過程將會延后至編譯期進行。
好了，既然示例一(使用const)可以在編譯期進行求值，而constexpr也可以在編譯期求值，那么直接用constexpr替換示例一種的const是否可行？
example3.cc
int main() {
constexpr int val = 1 + 2;
return 0;
}接著看下匯編代碼：
main:
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov eax, 0
pop rbp
ret呃??，與示例一完全一樣。。。
在上面示例2中，通過匯編代碼發現其是在運行期求值，那么有沒有辦法在編譯期求值呢？那就是使用constexpr表達式：
example4.cc
constexpr int Add(const int a, const int b) {
return a + b;
}
int main() {
const int val = Add(1, 2);
return 0;
}匯編如下：
main:
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], 3
mov eax, 0
pop rbp
ret有沒有發現很眼熟，對，跟示例1和示例3的結果一樣，該代碼較示例2的唯一區別是多了個constexpr說明符，但將求值時期從運行期放到了編譯期，可想而知，效率提升那是杠杠的。。。??
函數
constexpr也可以修飾普通函數或者成員函數，其實這塊在上一節已經有提過，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;
}匯編如下：
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從上述匯編代碼可以看出，val的求值是在編譯階段，而val2的求值則是在運行階段，這是因為其引入了一個非const變量val1。
通過本示例，可以看出，將函數聲明為constexpr可以提示效率，讓編譯器來決定是在編譯階段還是運行階段來進行求值，當然了，如果想了解在編譯階段求值的各種細節規則，請參考constexpr in cppreference。
if語句
如果您目前使用C++11進行編碼，那么需要仔細閱讀本節，這樣可以為將來的版本升級打好基礎；如果您正在使用C++17進行編碼，那么更得閱讀本節，相信讀完本節后，會有一個不一樣的認識??。
自C++17起，引入了if constexpr語句，在本節中，將借助SFINAE 和 std::enable_if來實現一個簡單的Square功能，最后借助if constexpr對代碼進行優化(如果對SFINAE 和 std::enable_if不是很了解的，建議自行閱讀哈)。
如果有個需求，實現一個Add函數，其既支持算術類型又支持用戶自定義類型：
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); // 調用int Add(int);
auto res2 = Square(f); // 調用 float Add(float);
auto res3 = Square(b); // call bool Square(bool);
auto res4 = Square(n); //編譯失敗，因為Number<>沒有提供operator*操作
}上述代碼編譯出錯，因為Number<>沒有提供operator*操作，所以這個時候第一個想法是修改Square函數，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;
}
}在上述代碼中，如果T是算數類型，則直接進行*操作，否則取其value進行*操作。
將上述代碼進行編譯，報錯如下：
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)為例，這是因為在編譯的時候，會嘗試int.value操作，顯然int.value不存在，這就導致了上述的錯誤輸出，為了更為清楚的顯示本錯誤，將Square()修改如下：
int Square(const int& t) {
if (true) {
return t * t;
} else {
return t.value * t.value;
}
}這樣就能很清楚的知道為什么編譯失敗了，因為在代碼中存在t.value * t.value操作，而對于一個int來說并沒有value這個變量，所以編譯失敗。
為了解決這個問題，我們嘗試引入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;
}現在有兩個函數模板，如果是算術類型，則調用第一個，否則調用第二個，完整代碼如下：
#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); // 調用int Add(int);
auto res2 = Square(f); // 調用 float Add(float);
auto res3 = Square(b); // call bool Square(bool);
auto res4 = Square(n); // 成功
return 0;
}上述代碼編譯成功。
在上述代碼中，為了編譯成功，我們引入了兩個Square()模板函數借助std::enable_if來實現，代碼上多少有點冗余，在這個時候，本節的主角if constexpr 出場，完整代碼如下：
#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); // 調用int Add(int);
auto res2 = Square(f); // 調用 float Add(float);
auto res3 = Square(b); // call bool Square(bool);
auto res4 = Square(n); // 成功
return 0;
}編譯成功。
我們借助一個Square()函數模板以及更加符合編碼習慣的if語句就能解決上面的問題，且比使用std::enable_if方式更為優雅和符合閱讀習慣，進而提高代碼的可閱讀性。
