C++ 算术运算符是否能够在自定义类中进行积极优化？

Question

C++ 允许对标准数据类型（内置整数和浮点类型）使用算术数学表达式进行积极优化。在这些情况下，在遵守 C++ 标准的同时，编译器可以预先计算文字常量、重新排序操作，甚至完全更改操作等（在某些情况下甚至会偏离标准合规性，就像 -Ofast 优化所发生的那样例如，某些编译器中的级别）。

但现在让我们假设您为标量编写自定义类库并为它们实现算术运算符，甚至为常量定义实现您自己的user-defined literals。

C++ 规范是否提供了某种机制来在您自己的类的运算符中实现与内置整数和浮点类型相同的优化机会？

想象一下，例如，您有以下内容：

#include <cstdint>

class MyFP16
{
private:
    std::uint16_t m_val;

public:

    MyFP16();
    [...other constructors here...]
    ~MyFP16();

    // Arithmetic operators
    friend MyFP16 operator+(const MyFP16 &c1, const MyFP16 &c2);
    friend MyFP16 operator-(const MyFP16 &c1, const MyFP16 &c2);
    friend MyFP16 operator*(const MyFP16 &c1, const MyFP16 &c2);
    friend MyFP16 operator/(const MyFP16 &c1, const MyFP16 &c2);

    [...rest of arithmetic operators...]

    // Other logic needed
    [...]
};

我能否以所有运算符都具有与float 内置类型完全相同的语义的方式定义此类，以便所有可用于float 的算术表达式优化也可以用于我的类，利用重新排序操作，交换性/关联性，将一些操作转换为其他操作，预先计算常量结果等......？如何？

非常感谢！

Answer 1

运算符重载或用户定义的文字没有什么特别之处。

如果您想为编译器提供优化速度的最佳机会，可能会付出更长的编译时间以及在某些情况下更大的二进制文件大小，那么您应该遵循适用于所有函数的常规规则。

将受益于内联的小函数编写为头文件中的内联函数，以便编译器始终可以决定是否内联。

如果内联了一个小函数，那么您将回到对原始类型进行操作的表达式，并且编译器可以使用您已经提到的相同优化方法。

如果编译器不决定内联调用，那么它可能不会根据运算符的数学属性进行优化，因为它不能假设运算符重载（或任何函数）是例如可交换或关联，除非在非常简单的情况下（无论如何都可能被内联）。

还要确保标记每个允许标记constexpr 的函数，以便更容易进行编译时评估并以constexpr 友好的方式编写代码（即仅使用文字类型）。

如果您对编译器所做的优化不够满意，那么一种常见的方法是使用expression templates 方法在编译时收集表达式树并对其进行自己的转换。