ANSI-C 常量表达式函数，如 C++ constexpr？答案

【问题标题】：ANSI-C constant-expression function like C++ constexpr?ANSI-C 常量表达式函数，如 C++ constexpr？
【发布时间】：2018-01-08 14:53:38
【问题描述】：

简单地说，有没有一种 ANSI-C 方法可以使函数成为常量表达式？

可以接受纯 ANSI-C 但 GNU 扩展 - 但不能使用 C++。
最好不依赖宏。
某些行为肯定类似于 C++ constexpr，并且不会在运行时解决。

背景：

我需要在没有浮点的嵌入式处理器中实现大量数学运算，因此我在我的应用程序中使用定点。

不过，我不喜欢在我的头文件中看到神秘的常量。我的硬件需要几个浮点常量（例如130.7 microseconds、0.2503 mJ），并且我真的希望能够读取（和更改）我的常量，因为零件数据表值已列出。

在给定的时刻，我的硬件需要使用这个常量，例如，填写计时器重载值，并且由于这些值是常量，我希望有类似的东西：

// Header file.
static const int values_table[] =
{
    _Time( 123.45 ),    // 123.45 microseconds.
    // ...
};

然后：

// Application source file.

int conv_to_timer( x ) { /* my calculations - all const. */ }

// ...

void my_code( void )
{
    // ...
    timer_reload = conv_to_timer( values_table[ index ] );

一种方法是让我的_Time( x ) 宏执行计时器值所需的所有计算，但它不灵活（即无法与外部的某些东西相比），也不便携（不同的硬件需要不同的计算）。

请给我一些优雅的方法的建议？

【问题讨论】：

我不太赞同您对使用宏的反对意见。特别是，是什么阻止了宏的扩展与“外部事物”进行比较？你是说它没有联系的事实吗？如果不同的硬件需要不同的计算，那么函数如何比宏更好？
没有。 constexpr 是 C++ 中的一个额外功能，而不是（标准）C 中的 - 没有类似的东西。
感谢您的评论@JohnBollinger。宏的要点是它必须与我声明常量的位置相同，而函数可以位于不同的翻译单元中，因此不会因应用程序特定目的而污染头文件。我解释了吗？
而不是_Time( 123.45 ), // 123.45 microseconds.，考虑一个宏ns_TO_RELOAD(123450),并删除FP，当代码应该不言自明时删除cmets。
@j4x 放弃 FP 的一个价值是宏数学在宏转换时不能很好地工作，如果有的话。此外，通过使用整数数学，可以精确控制到reload 单位的转换，而无需四舍五入和其他 FP 问题。喜欢#define ns_TO_RELOAD(ns) (((ns) + TICKS_PER_ns/2)/TICKS_PER_ns - 1)

标签： c c++11 constants ansi-c

【解决方案1】：

TL;DR：使用宏。

标准 C 没有 C++ 的constexpr 的直接模拟。最接近的东西是宏和内联函数，在这两者中，宏可以以某些不能使用内联函数的方式使用——特别是，不能在 C 需要常量表达式的情况下使用内联函数（嗯……听起来很相似到任何你知道的 C++ 关键字？），但另一方面，宏可以扩展为合适的表达式。

constexpr 被引入 C++ 主要是为了提供宏的替代方案，宏需要非平凡但编译时可计算的表达式。我相信它们也有一些优势，例如它们可能导致在编译时计算的值的类型，但这些似乎与您的特定情况无关。在 C 中，constexpr 从未被引入，宏仍然是标准方法。

您对使用宏的主要反对似乎本质上是关于代码风格。您观察到 C++ constexpr 函数的主体可以位于与对它的“调用”不同的翻译单元中，这显然对您很有吸引力。但是请注意，如果这是您的一个选项，那么您仍然需要在使用它们的翻译单元中至少声明此类功能，因此您实际上不会在术语上节省太多的清洁度。此外，虽然每个翻译单元必须包含它使用的每个宏的主体，但您仍然可以将宏定义分离到单独的标题中。

总体而言，我认为避免使用宏（如果可以的话）不会真正为您带来任何好处。我倾向于认为 C++ 社区对宏的普遍厌恶是constexpr 的一大动力，就像任何功能上的好处一样。如果碰巧你被这种特殊的厌恶所折磨，那么你真的需要克服它才能在标准 C 中有效地编程。

【讨论】：

再次感谢@JohnBollinger。我不打算提出任何关于“大病”的讨论，我认为你的回应实际上是唯一的出路。不过，我必须评论一下确定宏混乱代码的难度。编译器消息变得臃肿，类型安全消失，维护变得更加困难。嗯……就是生活……
@John Bollinger 甚至宏也不是直接替换只是一个例子：constexpr int f(int number) { return number == 1? 1 : (number * f(nnumber - 1)); } 很难想象宏和内联函数具有相同的功能。所以 f(10) 将计算编译时间和 f(variable) 运行时间或 c++14 迭代版本constexpr int f(int n) { int result = 1; for(int i = 2 ; i <= n; i++) result *= i; return result; }
@PeterJ，我承认constexpr 函数可以做宏不能做的事情，但这不是重点，因为它们不是 OP 的选项。但是，我稍微调整了答案的措辞，以减少对 constexpr 函数可以做的事情的性质的限制。

【解决方案2】：

相信您的优化器，然后进行验证。

C++ constexpr 是基于编译器已经进行的优化而设计的。如果你写：

int fac( int n ) {
  int r = 1;
  for (int i = 2; i < n; ++i)
    r*=i;
  return r;
}

然后做

printf("%d", fac(10));

适度优化设置下的编译器将评估对fac 的调用，并将调用替换为fac(10) 的常量返回值。

constexpr 的存在主要是为了允许 fac(10) 用于语义恒定的地方，例如 C++ 中数组的大小。所以在 C++ 中你可以这样做：

char buffer[fac(10)];

当且仅当fac(10) 是constexpr。（C 有可变大小的数组）。

您可以将_Time 编写为宏，也可以将其编写为inline 函数并告诉编译器进行优化。然后检查生成的二进制文件，看看它是否存储了包含最终值的数组。

也可以使用宏，但宏存在通常的调试问题（我不知道有一个编译器可以在宏出错时为您提供适当的单步调试），这使得它们不太适合复杂的代码。

了解 C++ 为您提供零保证 constexpr 函数实际上是在编译时评估的。它只是允许您在其他上下文中使用它，并且大多数编译器会为您预先计算它。

【讨论】：