C++14：使用三元表达式从 constexpr 推导出（自动）返回类型答案

【问题标题】：C++14: deduced (auto) return types from constexpr with ternary expressionsC++14：使用三元表达式从 constexpr 推导出（自动）返回类型
【发布时间】：2015-03-05 01:49:49
【问题描述】：

我正在 C++14 中试验 constexpr 函数。以下代码计算阶乘按预期工作：

template <typename T>
constexpr auto fact(T a) {
    if(a==1)
        return 1;
    return a*fact(a-1);
}

int main(void) {
    static_assert(fact(3)==6,  "fact doesn't work");
}

当用clang编译如下：

> clang++ --version
clang version 3.5.0 (tags/RELEASE_350/final)
Target: x86_64-unknown-linux-gnu
Thread model: posix
> clang++ -std=c++14 constexpr.cpp

但是，当我将 fact 定义更改为使用三元 ? 运算符时：

template <typename T>
constexpr auto fact(T a) {
    return a==1 ? 1 : a*fact(a-1);
}

我收到以下编译器错误：

> clang++ -std=c++14 constexpr.cpp
constexpr.cpp:12:31: fatal error: recursive template instantiation exceeded maximum depth of
      256
    return a==T(1) ? T(1) : a*fact(a-1);
        ... snip ...
constexpr.cpp:16:19: note: in instantiation of function template specialization 'fact<int>'
      requested here
    static_assert(fact(3)==6,  "fact doesn't work");

如果我明确声明返回类型 T（而不是使用 auto 推断返回类型），问题就解决了

template <typename T>
constexpr T fact(T a) {
    return a==1 ? 1 : a*fact(a-1);
}

如果我删除模板参数，模式会重复（三元版本失败，if 版本有效）

// this works just fine
constexpr auto fact(int a) {
    if(a==1)
        return 1;
    return a*fact(a-1);
}

而这失败了

constexpr auto fact(int a) {
    return a==1 ? 1 : a*fact(a-1);
}

出现以下错误

> clang++ -std=c++14 constexpr.cpp
constexpr.cpp:16:25: error: function 'fact' with deduced return type cannot be used before it
      is defined
    return a==1 ? 1 : a*fact(a-1);
                        ^
constexpr.cpp:15:16: note: 'fact' declared here
constexpr auto fact(int a) {
               ^
constexpr.cpp:20:26: error: invalid operands to binary expression ('void' and 'int')
    static_assert(fact(3)==6,  "fact doesn't work");
                  ~~~~~~~^ ~
2 errors generated.

这是怎么回事？

【问题讨论】：

标签： c++ ternary-operator c++14 constexpr

【解决方案1】：

对三元表达式求值的结果类型是common type of its second and third arguments。

通过让编译器推导出返回类型，您可以强制编译器将这两个参数都计算为三元表达式。这意味着即使达到终止条件，递归也不会结束，因为当a==1 时，要确定fact(0) 的返回类型，编译器必须继续评估对fact 的进一步递归调用，并且会出现无限递归.

通过声明返回类型，fact(0)在a==1时不需要求值，递归可以终止。

对于两个return语句的情况，相关的标准条款是——

（来自 N4296）§7.1.6.4/9 [dcl.spec.auto]

如果具有包含占位符类型的声明返回类型的函数具有多个返回语句，则为每个返回语句推导返回类型。如果每次推导的类型都不相同，则程序是非良构的。

在您的示例中，在对fact<int>(1) 的调用中，从第一个return 语句推导出的返回类型是int，因此第二个return 语句中fact<int>(0) 的返回类型只能是int 也是。这意味着编译器不需要评估fact<int>(0) 的主体，递归可以终止。

确实，如果您在第二个return 语句中也强制评估对fact 的调用，例如通过更改第一个示例使T 是一个非类型模板参数

template <unsigned T>
constexpr auto fact() {
    if(T==1)
        return 1;
    return T*fact<T-1>();
}

clang 确实因错误而失败

致命错误：递归模板实例化超出最大深度 256

Live demo

【讨论】：

if 版本有两个返回语句。编译器是否使用/标准指定了某种惰性求值，它仅在 a==1 时考虑 if 块中的 return 语句？否则我们会在两个版本中遇到同样的问题。
感谢@Praetorian。我可以自己查（虽然我不是语言律师）。
@Praetorian 这与您之前声称的相反。为每个 return 语句推导返回类型，但一旦为 any return 语句推导，返回类型是已知的，可以用作后面 return 语句推导的一部分。您使用template <unsigned T> 的示例失败的原因是因为已知fact<T> 的返回类型没有说明fact<T-1> 的返回类型，但在OP 的代码中调用fact<int> 的是fact<int>。