函数内部的静态constexpr变量有意义吗？

Question

如果我在函数中有一个变量（例如，一个大数组），那么同时声明＜code＞static＜/code＞和＜code＞constexpr＜/code>有意义吗constexpr保证数组是在编译时创建的，所以static是否无用？

void f() {
    static constexpr int x [] = {
        // a few thousand elements
    };
    // do something with the array
}

静态实际上是否在生成的代码或语义方面做了什么？

Answer 1

匿名用户

不使大型数组静态，即使它们是 constexpr 也会对性能产生巨大影响，并可能导致许多优化失误。它可能会使您的代码速度减慢几个数量级。变量仍然是局部变量，编译器可能会决定在运行时初始化它们，而不是将它们作为数据html" target="_blank">存储在可执行文件中。

考虑以下示例：

template <int N>
void foo();

void bar(int n)
{
    // array of four function pointers to void(void)
    constexpr void(*table[])(void) {
        &foo<0>,
        &foo<1>,
        &foo<2>,
        &foo<3>
    };
    // look up function pointer and call it
    table[n]();
}

您可能希望gcc-10-O3将bar（）编译为jmp到它从表中获取的地址，但事实并非如此：

bar(int):
        mov     eax, OFFSET FLAT:_Z3fooILi0EEvv
        movsx   rdi, edi
        movq    xmm0, rax
        mov     eax, OFFSET FLAT:_Z3fooILi2EEvv
        movhps  xmm0, QWORD PTR .LC0[rip]
        movaps  XMMWORD PTR [rsp-40], xmm0
        movq    xmm0, rax
        movhps  xmm0, QWORD PTR .LC1[rip]
        movaps  XMMWORD PTR [rsp-24], xmm0
        jmp     [QWORD PTR [rsp-40+rdi*8]]
.LC0:
        .quad   void foo<1>()
.LC1:
        .quad   void foo<3>()

这是因为GCC决定不将table存储在可执行文件的数据部分中，而是在每次函数运行时用其内容初始化一个局部变量。事实上，如果我们在这里删除，编译后的二进制文件是100%相同的。

这很容易比以下代码慢10倍：

template <int N>
void foo();

void bar(int n)
{
    static constexpr void(*table[])(void) {
        &foo<0>,
        &foo<1>,
        &foo<2>,
        &foo<3>
    };
    table[n]();
}

我们唯一的改变是我们将< code > table < code > static 化了，但是影响是巨大的:

bar(int):
        movsx   rdi, edi
        jmp     [QWORD PTR bar(int)::table[0+rdi*8]]
bar(int)::table:
        .quad   void foo<0>()
        .quad   void foo<1>()
        .quad   void foo<2>()
        .quad   void foo<3>()

总之，永远不要让您的查找表成为局部变量，即使它们是的。Clang实际上很好地优化了这样的查找表，但其他编译器没有。有关实时示例，请参阅编译器资源管理器。

Answer 2

除了给定的答案之外，值得注意的是编译器不需要在编译时初始化< code>constexpr变量，要知道< code>constexpr和< code>static constexpr之间的区别在于，使用< code>static constexpr时，要确保变量只初始化一次。

下面的代码演示了如何多次初始化的变量（虽然具有相同的值），而的静态配置肯定只初始化一次。

此外，代码将的优势与const与静态相结合进行了比较。

#include <iostream>
#include <string>
#include <cassert>
#include <sstream>

const short const_short = 0;
constexpr short constexpr_short = 0;

// print only last 3 address value numbers
const short addr_offset = 3;

// This function will print name, value and address for given parameter
void print_properties(std::string ref_name, const short* param, short offset)
{
    // determine initial size of strings
    std::string title = "value \\ address of ";
    const size_t ref_size = ref_name.size();
    const size_t title_size = title.size();
    assert(title_size > ref_size);

    // create title (resize)
    title.append(ref_name);
    title.append(" is ");
    title.append(title_size - ref_size, ' ');

    // extract last 'offset' values from address
    std::stringstream addr;
    addr << param;
    const std::string addr_str = addr.str();
    const size_t addr_size = addr_str.size();
    assert(addr_size - offset > 0);

    // print title / ref value / address at offset
    std::cout << title << *param << " " << addr_str.substr(addr_size - offset) << std::endl;
}

// here we test initialization of const variable (runtime)
void const_value(const short counter)
{
    static short temp = const_short;
    const short const_var = ++temp;
    print_properties("const", &const_var, addr_offset);

    if (counter)
        const_value(counter - 1);
}

// here we test initialization of static variable (runtime)
void static_value(const short counter)
{
    static short temp = const_short;
    static short static_var = ++temp;
    print_properties("static", &static_var, addr_offset);

    if (counter)
        static_value(counter - 1);
}

// here we test initialization of static const variable (runtime)
void static_const_value(const short counter)
{
    static short temp = const_short;
    static const short static_var = ++temp;
    print_properties("static const", &static_var, addr_offset);

    if (counter)
        static_const_value(counter - 1);
}

// here we test initialization of constexpr variable (compile time)
void constexpr_value(const short counter)
{
    constexpr short constexpr_var = constexpr_short;
    print_properties("constexpr", &constexpr_var, addr_offset);

    if (counter)
        constexpr_value(counter - 1);
}

// here we test initialization of static constexpr variable (compile time)
void static_constexpr_value(const short counter)
{
    static constexpr short static_constexpr_var = constexpr_short;
    print_properties("static constexpr", &static_constexpr_var, addr_offset);

    if (counter)
        static_constexpr_value(counter - 1);
}

// final test call this method from main()
void test_static_const()
{
    constexpr short counter = 2;

    const_value(counter);
    std::cout << std::endl;

    static_value(counter);
    std::cout << std::endl;

    static_const_value(counter);
    std::cout << std::endl;

    constexpr_value(counter);
    std::cout << std::endl;

    static_constexpr_value(counter);
    std::cout << std::endl;
}

可能的程序输出：

value \ address of const is               1 564
value \ address of const is               2 3D4
value \ address of const is               3 244

value \ address of static is              1 C58
value \ address of static is              1 C58
value \ address of static is              1 C58

value \ address of static const is        1 C64
value \ address of static const is        1 C64
value \ address of static const is        1 C64

value \ address of constexpr is           0 564
value \ address of constexpr is           0 3D4
value \ address of constexpr is           0 244

value \ address of static constexpr is    0 EA0
value \ address of static constexpr is    0 EA0
value \ address of static constexpr is    0 EA0

正如您自己所看到的，就像被多次初始化（地址不一样），而静态关键字确保初始化只执行一次。

Answer 3

简单的答案是，static不仅有用，而且它总是很有用的。

首先，注意< code>static和< code>constexpr是完全相互独立的。< code>static定义对象在执行期间的生存期；< code>constexpr指定对象在编译期间应该可用。编译和执行在时间和空间上都是不相交和不连续的。所以一旦程序被编译，< code>constexpr就不再相关了。

每个声明为＜code＞constexpr＜/code＞的变量都是隐式的＜code＞常量＜/code＜，但＜code＞const＜/code＞和＜code＞static＜/coode＞几乎是正交的（除了与＜code＞静态常量＜/code>整数的交互作用）

C 对象模型 （§1.9） 要求除位字段以外的所有对象至少占用一个字节的内存并具有地址;此外，在给定时刻在程序中可观察到的所有此类对象必须具有不同的地址（第6段）。这并不完全要求编译器为每次调用具有本地非静态 const 数组的函数在堆栈上创建一个新数组，因为编译器可以躲避 as-if 原则，前提是它可以证明没有其他这样的对象可以观察到。

不幸的是，这并不容易证明，除非该函数是微不足道的（例如，它不调用任何其他函数，其主体在翻译单元中不可见），因为数组或多或少根据定义是地址。因此，在大多数情况下，每次调用时都必须在堆栈上重新创建非静态const（exr）数组，这就破坏了能够在编译时计算它的意义。

另一方面，本地静态 const 对象由所有观察者共享，此外，即使从未调用过它定义的函数，也可以对其进行初始化。因此，以上都不适用，编译器不仅可以自由地仅生成它的单个实例;可以在只读存储中免费生成它的单个实例。

所以你绝对应该在你的例子中使用静态的constexpr。

但是，在某种情况下，您不希望使用静态配置文件。除非声明的对象是ODR使用的或声明的静态配置文件，否则编译器可以自由地根本不包含它。这非常有用，因为它允许使用编译时临时配置文件数组，而不会用不必要的字节污染编译程序。在这种情况下，您显然不想使用静态配置文件，因为静态配置文件可能会强制对象在运行时存在。