为什么 C++ 编译器可以将函数声明为 constexpr，而不能是 constexpr？

Question

为什么 C++ 编译器可以将函数声明为 constexpr，而不能声明为 constexpr？

例如：http://melpon.org/wandbox/permlink/AGwniRNRbfmXfj8r

#include <iostream>
#include <functional>
#include <numeric>
#include <initializer_list>

template<typename Functor, typename T, size_t N>
T constexpr reduce(Functor f, T(&arr)[N]) {
  return std::accumulate(std::next(std::begin(arr)), std::end(arr), *(std::begin(arr)), f);
}

template<typename Functor, typename T>
T constexpr reduce(Functor f, std::initializer_list<T> il) {
  return std::accumulate(std::next(il.begin()), il.end(), *(il.begin()), f);
}

template<typename Functor, typename T, typename... Ts>
T constexpr reduce(Functor f, T t1, Ts... ts) {
  return f(t1, reduce(f, std::initializer_list<T>({ts...})));
}

int constexpr constexpr_func() { return 2; }

template<int value>
void print_constexpr() { std::cout << value << std::endl; }

int main() {
  std::cout << reduce(std::plus<int>(), 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) << std::endl;  // 28
  std::cout << reduce(std::plus<int>(), {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}) << std::endl;// 28

  const int input[3] = {1, 2, 3};   // 6
  std::cout << reduce(std::plus<int>(), input) << std::endl;

  print_constexpr<5>(); // OK
  print_constexpr<constexpr_func()>();  // OK
  //print_constexpr<reduce(std::plus<int>(), {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7})>(); // error 

  return 0;
}

输出：

28
28
6
5
2

为什么在这一行出错：//print_constexpr<reduce(std::plus<int>(), {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7})>(); // error 即使对于 C++14 和 C++1z？

• std::plus - constexpr T operator()( const T& lhs, const T& rhs ) const; (C++14 起) - constexpr: http://en.cppreference.com/w/cpp/utility/functional/plus
• constexpr initializer_list(); (C++14 起) - initializer_list 的构造是 constexpr：http://en.cppreference.com/w/cpp/utility/initializer_list/initializer_list

为什么编译器允许将reduce()标记为constexpr，但reduce()不能用作模板参数，即使传递给reduce()的所有参数在编译时都已知？

---

对于某些编译器也有同样的效果 - 支持 C++14 -std=c++14:

• x86 GCC 7.0.0 -std=c++1z -O3: http://melpon.org/wandbox/permlink/AGwniRNRbfmXfj8r
• x86 gcc 4.9.2 -std=c++14 -O3: https://godbolt.org/g/wmAaDT
• x86 gcc 6.1 -std=c++14 -O3: https://godbolt.org/g/WjJQE5
• x86 clang 3.5 -std=c++14 -O3: https://godbolt.org/g/DSCpYv
• x86 clang 3.8 -std=c++14 -O3: https://godbolt.org/g/orSrgH
• x86 Visual C++ - 您应该将代码复制粘贴到：http://webcompiler.cloudapp.net/
• ARM gcc 4.8.2、ARM64 gcc 4.8、PowerPC gcc 4.8、AVR gcc 4.5.3 - 不支持 C+14 -std=c++14

对于所有这些情况，编译OK，直到未使用的行：//print_constexpr<reduce(std::plus<int>(), {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7})>(); // error

Answer 1

为什么 C++ 编译器可以将函数声明为 constexpr，而不能声明为 constexpr？

它没有。但是您没有定义函数constexpr。您正在定义一个模板。

让我们开始吧：

struct Is_constexpr {
  constexpr Is_constexpr() = default;
  constexpr auto bar() {
    return 24;
  }
};

struct Not_constexpr {
  auto bar() {
    return 24;
  }
};

现在，如果您尝试将函数（不是模板）定义为使用 Not_constexpr 的 constexpr，编译器将不允许：

constexpr auto foo_function(Not_constexpr v)
{
  return v.bar();
  // error: call to non-constexpr function 'auto Not_constexpr::bar()'
}

但是，您正在定义一个模板。让我们看看这是怎么回事：

template <class T>
constexpr auto foo(T v)
{
  return v.bar();
}

编译器允许您这样做。没有错误。为什么？因为它是一个模板。有些实例化可能是constexpr，有些不是，取决于T：

int main() {
  constexpr Is_constexpr is_c;
  constexpr Not_constexpr not_c;

  std::integral_constant<int, foo(is_c)> a; // OK
  //std::integral_constant<int, foo(not_c)> a; // ERROR

}

Answer 2

让我们直接从它的提议开始吧， www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2007/n2235.pdf 第 4.1 节第三段：我引用：

可以用非常量调用常量表达式函数 表达式，在这种情况下，不需要结果 在编译时计算值。

看到这个问题：When does a constexpr function get evaluated at compile time?

template<typename Functor, typename T>
T constexpr reduce(Functor f, std::initializer_list<T> il) {
  return std::accumulate(std::next(il.begin()), il.end(), *(il.begin()), f);
}

同样，如您所知，std::accumulate 不是 constexpr 函数。

template<int value>
void print_constexpr() { std::cout << value << std::endl; }

同样，如您所知，non-type template arguments must be constant expressions。

---

现在：

template<typename Functor, typename T>
T constexpr reduce(Functor f, std::initializer_list<T> il) {
  return std::accumulate(std::next(il.begin()), il.end(), *(il.begin()), f);
}

至于它为什么起作用：以下是 C++ 标准所说的：

[dcl.constexpr/6]（强调我的）：

如果 constexpr 函数的实例化模板特化 类模板的模板或成员函数将无法满足 requirements for a constexpr function 或 constexpr 构造函数， 该专业化仍然是constexpr 函数 或constexpr 构造函数，即使对这样的函数的调用不能出现在 一个常量表达式 ...

注意：that

从函数模板实例化的函数称为函数 模板专业化；

---

当它不是模板时，它会失败：

int constexpr reduce(int(*f)(int, int), std::initializer_list<int> il) {
  return std::accumulate(std::next(il.begin()), il.end(), *(il.begin()), f);
}

编译器现在会抱怨你不能在定义为constexpr的函数中调用非constexpr函数

Answer 3

如果你写了这段代码：

  constexpr int result = reduce(std::plus<int>(), {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7});

你会看到 reduce 不会产生 constexpr 结果。

原因是因为 “注意：非 constexpr 函数 'accumulate >' 不能在常量表达式中使用” 正如你在这里看到的 - http://en.cppreference.com/w/cpp/algorithm/accumulate

std::accumulate 不是 constexpr

编辑扩展以回答实际问题，感谢@peterchen： 它在使用时进行编译，在编译模板的特定版本之前，它不会也无法尝试解析函数。当它到达用法并触发编译时，它会解析累积并看到它不是 constexpr，因此会发出错误。