1 if-constexpr 語法

1.1 基本語法

? if-constexpr 語法是 C++ 17 引入的新語法特性，也被稱為常量 if 表達(dá)式或靜態(tài) if（static if）。引入這個(gè)語言特性的目的是將 C++ 在編譯期計(jì)算和求值的能力進(jìn)一步擴(kuò)展，更方便地實(shí)現(xiàn)編譯期的分支選擇動(dòng)作。早期的 C++ 缺少類似的語言特性，C++ 開發(fā)者不得不使用 tag dispatching 這樣的慣用手法或者借助于模板特化機(jī)制讓編譯器在模板參數(shù)推導(dǎo)時(shí)“曲折地”實(shí)現(xiàn)一些靜態(tài)選擇。C++ 11 標(biāo)準(zhǔn)明確了 SFINAE 機(jī)制的應(yīng)用，并提供了 enable_if ，二者配合可以更方便地實(shí)現(xiàn)編譯期的分支選擇，但是與 if-constexpr 相比，可讀性和易用性都差了幾條街。

? 在介紹 if-constexpr 的“神通”之前，前來看一下 if-constexpr 的語法形式。其實(shí)我們在介紹如何讓自己的設(shè)計(jì)的類型支持結(jié)構(gòu)化綁定的時(shí)候（《讓自定義類型支持結(jié)構(gòu)化綁定》），為實(shí)現(xiàn) get<N>() 成員方法，就用到了這種語法，這里再回顧一下 if-constexpr 語法的表達(dá)形式：

struct FooTest
{
    template<std::size_t N>
    const auto& get() const
    {
        if constexpr (N == 0) return name;
        else if constexpr (N == 1) return age;  //else if 分支中的 constexpr 說明符可以省略
        else return weight;
    }
};

這個(gè)函數(shù)中對(duì)模板參數(shù) N 的判斷在編譯期間進(jìn)行，由哪個(gè)分支返回?cái)?shù)據(jù)也是在編譯期間就決定了，false 分支中的代碼甚至不會(huì)出現(xiàn)在實(shí)例化后的函數(shù)代碼中。以get<N>()成員函數(shù)為例，如果使用 FooTest 的代碼用到 get<0>() 取 name 這個(gè)成員，則最終實(shí)例化后會(huì)得get<0>()的特化實(shí)現(xiàn)：

struct FooTest
{
    template<>
    const std::string& get<0>() const
    {
        return name;
    }
};

如果代碼中還用了get<1>()取 age 的值，則編譯器還會(huì)實(shí)例化出 get<1>()這個(gè)特化版本：

template<>
const int& get<1>() const
{
    return age;
}

1.2 擴(kuò)展說明

1.2.1 條件表達(dá)式

? 常量 if 表達(dá)式中的條件表達(dá)式必須是 bool 類型的常量表達(dá)式，或者是可轉(zhuǎn)換成 bool 類型的常量表達(dá)式。因?yàn)檫@個(gè)條件表達(dá)式是在編譯期進(jìn)行評(píng)估的，所以 constexpr 修飾的常量或函數(shù)都可以出現(xiàn)在這個(gè)表達(dá)式中，但是運(yùn)行期間的變量或非 constexpr 的函數(shù)不可以出現(xiàn)在條件表達(dá)式中。

? C++ 17 中，lambda 表達(dá)式（lambda 函數(shù)）可以被顯式聲明為 constexpr，但是當(dāng)一個(gè) lambda 表達(dá)式和相關(guān)的上下文一起達(dá)成一個(gè)閉包時(shí)，如果這個(gè)閉包在一個(gè) constexpr 上下文中使用，即使沒有將其顯式聲明為 constexpr，它也會(huì)被當(dāng)作 constexpr 使用，比如：

auto DoubleIt = [](int n)  {  return n + n;  };
template<std::size_t N>
bool Func2()
{
    if constexpr (DoubleIt(N) < 100)
        return true;
    else
        return false;
}
std::cout << Func2<10>() << ", " << Func2<50>() << std::endl;  //1, 0

1.2.2 false 分支處理

? 函數(shù)模板實(shí)例化時(shí)，評(píng)估為 false 分支的語句不會(huì)出現(xiàn)在最終實(shí)例化后的函數(shù)代碼中，但是編譯器會(huì)對(duì)其進(jìn)行語法檢查，當(dāng)出現(xiàn)語法錯(cuò)誤時(shí)也會(huì)報(bào)錯(cuò)（有些編譯器報(bào)錯(cuò)）。雖然會(huì)進(jìn)行語法檢查，但是 false 分支中的 return 語句不會(huì)參與函數(shù)的返回值類型推定，比如這個(gè)例子：

template<typename T>
auto get_value(T t)
{
    if constexpr (std::is_pointer_v<T>)
        return *t; 
    else
        return t; 
}

當(dāng)std::is_pointer_v<T>為 true 時(shí)，else 分支中的 return t 語句不參與返回值類型推定，函數(shù)返回值類型推定為 *t 的類型。當(dāng)std::is_pointer_v<T>為 false 時(shí)正好相反，else 分支中的 return t 語句將決定返回值類型，函數(shù)返回值類型推定為 t 的類型。這里需要注意，如果取消配合 if-constexpr 的 else 分支，改用函數(shù)設(shè)計(jì)常用的默認(rèn)返回方式，編譯器就會(huì)報(bào)錯(cuò)，比如：

template<typename T>
auto get_value(T t)
{
    if constexpr (std::is_pointer_v<T>)
        return *t; 
    return t; 
}

這個(gè) get_value2() 函數(shù)的代碼語義與前面的 get_value() 函數(shù)一樣，但是編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)樽詈蟮?return 語句也參與返回值類型的推定，并且當(dāng) T 是指針類型的時(shí)候，兩個(gè) return 語句的返回值類型推定會(huì)互相矛盾。

? 盡管編譯器會(huì)對(duì) false 分支的代碼進(jìn)行語法檢查，但是 false 分支的代碼會(huì)被丟棄，所以不參與代碼鏈接。比如這個(gè)例子：

extern int x; //
int f()
{
    if constexpr (true)
        return 0;
    else if (x)
        return x;
    else
        return -x;
}
f(); //調(diào)用 f

盡管全局變量 x 只有一個(gè) extern 聲明，并沒有定義，但是這段代碼編譯正常，沒有錯(cuò)誤。因?yàn)?else if 和 else 分支的代碼都被丟棄，編譯器沒有為鏈接代碼而定位 x 的需要。

? 編譯器之所以要對(duì)準(zhǔn)備丟棄的 false 分支代碼進(jìn)行語法檢查，可能原因是它要對(duì)整個(gè) if 語句進(jìn)行分析，了解每個(gè)分支邏輯的起始位置和結(jié)束位置，以便能夠正確地保留 true 分支的代碼，丟棄 false 分支的代碼。

1.2.3 初始化語句

? C++ 17 開始支持在 if 語句中使用初始化語句，當(dāng)然，if-constexpr 語法上也支持初始化語句，只是要求初始化語句也只能使用常量和常量表達(dá)式。比如這個(gè)例子中的 k 的初始化：

template<std::size_t N>
bool Func()
{
    if constexpr (constexpr std::size_t k = 3; (N % k) == 0)
        return true;
    else
        return false;
}

k 必須是個(gè)常量，初始化 k 的表達(dá)式必須是常量表達(dá)式。

2 if-constexpr 的作用

? 可在編譯期執(zhí)行的 if-constexpr，用于模板元編程中的條件判斷，不僅擴(kuò)展了模板元編程的分支處理能力，也簡化了很多以前用非常復(fù)雜方式實(shí)現(xiàn)的分支判斷代碼，使得模板元編程對(duì)條件分支的處理代碼更直觀，更容易理解。這一部分我們用三個(gè)例子，分別介紹一下 if-constexpr 的作用，包括對(duì)傳統(tǒng)的 tag dispatching 和模板特化習(xí)慣用法的比較。

2.1 簡化可變參數(shù)的處理方式

? 使用 if-constexpr 可以提高泛型代碼的可讀性，上一節(jié)介紹的 get<N>() 的函數(shù)，如果不用 if-constexpr，就需要借助于模板的遞歸推導(dǎo)來解決 N 的個(gè)數(shù)不確定問題。具體做法就是定義一個(gè)泛化版本加上一個(gè)特化版本，這樣實(shí)現(xiàn)起來不僅麻煩，代碼可讀性也大打折扣。這一節(jié)，我們用一個(gè)之前介紹過的用于求和的函數(shù)模板為例，介紹一下 if-constexpr 對(duì)可變參數(shù)的處理以及提高代碼可讀性能帶來的好處。

? 在 C++ 17 之前，沒有折疊表達(dá)式和 if-constexpr，對(duì)參數(shù)包的處理需要用到模板的遞歸推導(dǎo)，需要定義一個(gè)結(jié)束遞歸推導(dǎo)的特化實(shí)例，非常不直觀：

template<typename T>
auto Sum(T arg)
{
    return arg;
}
template<typename T, typename... Args>
auto Sum(T arg, Args... args_left)
{
    return arg + Sum(args_left...);
}
std::cout << Sum(3, 5, 8) << std::endl;  //輸出16
std::cout << Sum(std::string("Emma "), std::string(" love cats!")) << std::endl; //輸出 Emma love cats!

C++ 17 引入了折疊表達(dá)式，用了折疊表達(dá)式就簡單多了，看看折疊表達(dá)式的版本：

template<typename... Args>
auto Sum(Args&&... args)
{
    return (0 + ... + args);
}

但是折疊表達(dá)式的語法讓很多初學(xué)者“毛骨悚然”，如果改成用 if-constexpr 實(shí)現(xiàn)，則代碼更符合直覺，可讀性也上了一個(gè)臺(tái)階：

template <typename T, typename... Args>
auto Sum(T arg, Args... args)
{
    if constexpr (0 == sizeof...(Args))
        return arg;
    else
        return arg + Sum(args...);
}

2.2 比std::enable_if 更靈活

? SFINAE （Substitution Failure Is Not An Error）的意思就是模板推導(dǎo)的過程中，如果模板參數(shù)替換后得到一個(gè)無意義的錯(cuò)誤結(jié)果，編譯器并不立即報(bào)錯(cuò)，而是暫時(shí)忽略這個(gè)模板函數(shù)聲明，繼續(xù)參數(shù)推導(dǎo)和替換。C++ 11 引入的 std::enable_if 就是實(shí)現(xiàn) SFINAE 的最直接方式，下面用 ToString() 函數(shù)為例（注意，這不是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)現(xiàn)，只是作為一個(gè)例子），看看如何用 std::enable_if 實(shí)現(xiàn)編譯期的條件分支。

//也可以用 enable_if_t
template<typename T>
std::enable_if<std::is_arithmetic<T>::value, std::string>::type
ToString(T t)
{
    return std::to_string(t);
}
template<typename T>
std::enable_if<!std::is_arithmetic<T>::value, std::string>::type
ToString(T t)
{
    return t;
}

std::to_string() 支持將一個(gè)整數(shù)型數(shù)據(jù)或浮點(diǎn)數(shù)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成字符串，如果 T 本身就是 std::string 類型，則不需要轉(zhuǎn)換。std::enable_if 的作用就是通過對(duì)返回值類型的控制，使得當(dāng)類型 T 與函數(shù)代碼不匹配（比如 to_string() 函數(shù)不支持 std::string 類型）的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤的函數(shù)聲明。舉個(gè)例子，當(dāng) T 是 std::string 類型時(shí)（不是數(shù)字類型），編譯器對(duì)兩個(gè)模板函數(shù)進(jìn)行參數(shù)替換后得到兩個(gè)函數(shù)聲明：

template<>
ToString<std::string>(std::string t);
template<>
std::string ToString<std::string>(std::string t);

第一個(gè)替換結(jié)果沒有函數(shù)返回值，是個(gè)語法上錯(cuò)誤的函數(shù)聲明，編譯器會(huì)丟棄這個(gè)替換結(jié)果，選擇第二個(gè)語法上正確的作為最終的 ToString() 函數(shù)重載裁決結(jié)果。如此一來，就通過 std::enable_if 與 SFINAE 機(jī)制配合，實(shí)現(xiàn)了編譯期分支選擇的目的。

? 但是使用 std::enable_if 控制需要注意一點(diǎn)，std::enable_if 只能將條件分割成兩種情況，就是兩個(gè)條件必須互斥，即一個(gè)是 true 條件，另一個(gè)必須是 false 條件，否則一旦出現(xiàn)兩個(gè)判斷條件都是 true 的情況，就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)正確的結(jié)果，導(dǎo)致編譯器報(bào)告“模棱兩可的函數(shù)調(diào)用” 的編譯錯(cuò)誤。通過上面的例子可以看出，盡管 std::enable_if 也能實(shí)現(xiàn)編譯期的條件分支選擇，但是代碼并不直觀，約束條件比較多，且只能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分支的選擇?，F(xiàn)在看看使用 if-constexpr 的實(shí)現(xiàn)方案：

template<typename T>
auto ToString(T t)
{
    if constexpr (std::is_arithmetic<T>::value)
        return std::to_string(t);
    else
        return t;
}

這樣的代碼要比寫兩個(gè)重載函數(shù)讓編譯器按照 SFINAE 原則匹配調(diào)用的方式更直觀，也更容易理解和維護(hù)。

2.3 比 tag dispatching 更直觀

? tag 就是一些沒有數(shù)據(jù)，沒有操作的空類型，它們可以作為函數(shù)參數(shù)來影響編譯器對(duì)重載函數(shù)的選擇。用 tag dispatching 技術(shù)首先要定義 tag，根據(jù)本文的例子，我們定義兩個(gè) tag：

struct NumTag {};
struct StrTag {};

接著要定義重載函數(shù)，唯一不同的參數(shù)就是 tag 類型，tag 類型作為函數(shù)的啞形參只影響編譯器對(duì)重載函數(shù)的選擇，最終這個(gè)沒有的參數(shù)都會(huì)被編譯器優(yōu)化掉：

template <typename T>
auto ToString_impl(T t, NumTag)
{
    return std::to_string(t);
}
template <typename T>
auto ToString_impl(T t, StrTag)
{
    return t;
}

最后就是實(shí)現(xiàn) ToString()，根據(jù) T 的類型確定是調(diào)用 ToString_impl(t, NumTag()); 還是調(diào)用 ToString_impl(t, StrTag());，具體做起來就八仙過海，各顯神通，比如這個(gè)使用自定義 type_traits 的方式：

template <typename T> //一個(gè)并不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆夯姹?
struct traits
{
    typedef NumTag tag;
};
template <>   //針對(duì) std::string 的特化版本
struct traits<std::string>
{
    typedef StrTag tag;
};
template <typename T>
auto ToString(T t)
{
    return ToString_impl(t, typename traits<T>::tag());  //根據(jù) traits<T>::tag 選擇 ToString_impl()
}

? 對(duì)比上一節(jié)用 if constexpr 實(shí)現(xiàn)的版本，可以看出來使用 tag dispatching 的代碼比較晦澀，需要研究一下 tag 的定義才能了解分支選擇的具體條件，代碼實(shí)現(xiàn)不如 if constexpr 直觀。

3 if-constexpr 與 if 的區(qū)別

3.1 if 為什么不行

? 上一節(jié)的 ToString() 函數(shù)的例子如果不用 if-constexpr，像這樣直接用 if 實(shí)現(xiàn)：

template<typename T>
auto ToString(T t)
{
    if (std::is_arithmetic<T>::value)
        return std::to_string(t);
    else
        return t;
}

是否也可以呢？答案是不可以，因?yàn)?std::is_arithmetic<T> 是在編譯期求值的，當(dāng)代碼中需要將整數(shù) 42 轉(zhuǎn)成字符串，調(diào)用 ToString(42) 的時(shí)候，傳入?yún)?shù)是 int 或 double，評(píng)估結(jié)果是 true，此時(shí)函數(shù)模板被實(shí)例化成：

auto ToString(int t)
{
    if (true)
        return std::to_string(t);
    else
        return t;
}

這個(gè)實(shí)例化結(jié)果是無法編譯的，因?yàn)榉祷刂档降资钦麛?shù)還是 std::string 呢？兩個(gè) return 語句的返回值類型不一致。再看看到傳入?yún)?shù)是 std::string 的情況，此時(shí) if 的評(píng)估結(jié)果是 false，函數(shù)模板被實(shí)例化成：

auto ToString(std::string t)
{
    if (false)
        return std::to_string(t);
    else
        return t;
}

盡管走 else 分支，直接返回 t 沒有問題，但是 if 分支的編譯會(huì)有問題，因?yàn)?std::to_string() 不支持 std::string 類型。所以，直接使用 if 語句是不可以的。

3.2 if-constexpr 為什么可以

? 現(xiàn)在對(duì)比使用 if-constexpr 的情況。前面提到過，對(duì)于 false 分支編譯只進(jìn)行語法分析，不生成代碼。所以當(dāng)代碼中出現(xiàn) ToString(42) 的調(diào)用的時(shí)候，傳入?yún)?shù)是 int，評(píng)估結(jié)果是 true，此時(shí)函數(shù)模板被實(shí)例化成：

std::string ToString(int t)
{
    return std::to_string(t);
}

當(dāng)傳入?yún)?shù)是字符串類型的時(shí)候，else 分支就成為 true 分支被保留，函數(shù)模板實(shí)例化的結(jié)果就是：

std::string ToString(std::string t)
{
    return t;
}

最終實(shí)例化的結(jié)果和使用 std::enable_if 的結(jié)果是一樣的，但是語法比 std::enable_if 簡單，直觀。

4 if-constexpr 與 #if 的區(qū)別

? 編譯期 if 表達(dá)式很容易讓人想到 C++ 的條件編譯指令 #if，但是它們的區(qū)別還是很明顯的，主要有三點(diǎn)：

• 處理階段不同：#if 條件編譯指令是在代碼預(yù)處理階段解析的，預(yù)處理器處理完成后提交給編譯器時(shí)，編譯器只能看到 true 分支的內(nèi)容，而 if-constexpr 的代碼都是在編譯階段進(jìn)行處理的；
• 條件表達(dá)式要求不同：首先是代碼處理的階段不一樣，#if 只能使用用于定義的宏、編譯器預(yù)定義的宏和環(huán)境變量，不能使用代碼中的函數(shù)或變量，而 if-constexpr 的條件表達(dá)式可以是代碼中的常量，或者常量函數(shù)；
• false 分支的處理方式不同：條件編譯中的 false 分支編譯器不進(jìn)行語法檢查，實(shí)際上它們在預(yù)編譯階段就被過濾掉了，而 if-constexpr 中的 false 分支也進(jìn)行語法檢查。

到此這篇關(guān)于C++ 中的 if-constexpr的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ if-constexpr內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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