std::less 是否应该允许在编译时比较不相关的指针？

Question

考虑这段代码：

#include <functional>
#include <typeinfo>

template <typename T>
inline constexpr const void *foo = &typeid(T);

int main()
{
    constexpr bool a = std::less<const void*>{}(foo<int>, foo<float>);
} 

Run on gcc.gotbolt.org

如果我在这里使用< 而不是std::less，则代码无法编译。这并不奇怪，因为如果指针指向不相关的对象，则关系指针比较的结果是 unspecified，显然这样的比较不能在编译时完成。

<source>:9:20: error: constexpr variable 'a' must be initialized by a constant expression
    constexpr bool a = foo<int> < foo<float>;
                   ^   ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
<source>:9:33: note: comparison has unspecified value
    constexpr bool a = foo<int> < foo<float>;
                                ^

即使我使用std::less，代码仍然无法编译。编译器错误是一样的。 std::less 似乎至少在 libstdc++ 和 libc++ 中实现为 <；我在 GCC、Clang 和 MSVC 上得到了相同的结果。

但是，关于 std::less 的 cppreference 页面声称：

1. 它的operator() 是constexpr。

2. 它神奇地实现了对指针的严格全序，即可用于将不相关的指针与合理的结果进行比较。

那么，这是所有这些编译器中的一个错误，还是我遗漏了一些关于 std::less 的细节导致上面的代码格式错误？

Answer 1

我认为您提出的问题没有明确的答案。这是LWG 2833 的一个特定情况：标记库函数constexpr 并不能解释调用函数会产生常量表达式的情况。

在解决此问题之前，我认为您根本不能依赖 std::less 能够在编译时比较不相关的指针。

Answer 2

要成为有效的constexpr函数，它应该有结果为constexpr的参数，而不是所有参数。

例如

constexpr int foo(bool b) { if (!b) throw 42; return 42; }

有效，f(true) 可以在 constexpr 中使用（即使 f(false) 不能）。

constexpr int a[2]{};
constexpr bool b = std::less<const void*>{}(&a[0], &a[1]);

有效且足以让less::operator() 成为constexpr。

我认为标准中的 constexpr 没有指定哪些范围/值是正确的。

所以所有编译器都是正确的。

Answer 3

在您的问题中，您声明了一个像constexpr bool a = std::less<const void*>{}(foo<int>, foo<float>); 这样的变量，需要一个 constexpr 变量来满足以下规则：

对象声明中使用的 constexpr 说明符将对象声明为 const。这样的对象应具有文字类型并应被初始化。在任何 constexpr 变量声明中，初始化的完整表达式应为常量表达式。 （注意强调部分）

常量表达式必须是核心常量表达式，因此它必须满足核心常量表达式规则：

结果为未指定的关系或等式运算符；

在您的代码中，&typeid(int) 和 &typeid(float) 未指定，原因是：

比较不相等的指向对象的指针定义如下：

• 如果两个指针指向同一数组的不同元素或其子对象，则指向具有较高下标的元素的指针比较大。
• 如果两个指针指向同一对象的不同非静态数据成员，或指向此类成员的子对象，递归地，如果两个成员具有相同的访问控制并提供它们的类，则指向后面声明的成员的指针会比较大不是工会。
• 否则，两个指针的比较都不会大于另一个。

&typeid(int) 和&typeid(float) 符合第三个要点。和

如果两个操作数 p 和 q 比较相等，则 p=q 都得出真值，而 pq 都得出假值。否则，如果指针 p 比较大于指针 q，则 p>=q、p>q、q=p，并且q>p 都产生错误。 否则，每个运算符的结果都是未指定的。

所以，&typeid(int) 和 &typeid(float) 的比较结果是不确定的，因此它不是一个常量表达式。