Effective Modern C++ 勉強会#3 Item 15

Effective Modern C++
勉強会#3
Item 15
刈谷満（@kariya_mitsuru）
2015/3/25

Item 15: Use constexpr whenever possible.
「市民、あなたは constexpr ですか」
「もちろんです、C++。constexpr で
あることは市民の義務です」
© ボレロ村上

constexpr - 混乱しやすい新語オブザC++11
最高金賞受賞！！！
const に毛の生えたようなの、と思っていませんか？
オブジェクトに使えばだいたい合ってる。
⇓
単なる定数じゃなくてコンパイル時に分かる定数

constexpr - 混乱しやすい新語オブザC++11
最高金賞受賞！！！
const に毛の生えたようなの、と思っていませんか？
でも関数に使うと…
⇓
関数の結果が定数なわけでもましてやコンパイル時定数とも限らない。

でもまずは、
constexpr オブジェクトから。

constexpr オブジェクトとは
1. const オブジェクト
2. だけじゃない！
コンパイル時に値が分かるオブジェクト！
ホントはコンパイル時じゃなくて
リンク時でいい時もあるんだけど…

constexpr オブジェクトの特徴
• ROMに置ける。
⇒特に組み込みシステムでは重要な機能
• "integral constant expression" が要求される箇所で使用する
ことができる。
⇒例えば、配列サイズ、整数テンプレート実引数（std::array
の長さとか）、列挙子の値、アラインメント指定、などなど。

int sz;
…
constexpr auto arraySize1 = sz;
std::array<int, sz> data1;
constexpr auto arraySize2 = 10;
std::array<int, arraySize2> data2;
エラー！
sz の値は
コンパイル時には分からない
ＯＫ！
10 はコンパイル時定数
ＯＫ！
arraySize2 は constexpr
非 constexpr 変数

一応注意しておくと、
単なる const じゃダメだよ。

int sz;
…
const auto arraySize = sz;
std::array<int, arraySize> data;
非 constexpr 変数（前と一緒）
ＯＫ！
arraySize は
sz の const コピー
エラー！
arraySize の値は
コンパイル時には分からない

簡単にいえば、
constexpr オブジェクトは const だけど、
逆は必ずしも真では無い。
もしコンパイル時定数が欲しければ、
const じゃなくて constexpr を使う事。

もしコンパイル時定数が欲しければ、
（余談）あれ？
今まで const 変数で配列の
サイズとかテンプレート引数とか
指定してきたような～？

だけどＯＫ！でも何で？だからＯＫ！
const int arraySize = 10;
std::array<int, arraySize> data;
constexpr 変数じゃないconstexpr 変数じゃない
けどコンパイル時定数！

もしコンパイル時定数が欲しければであることを保証したければ、

（余談）ちなみに…
constexpr なオブジェクトは初期化無しでは宣言できません！
constexpr int var; エラー！
初期化子がない！

constexpr な静的オブジェクトは普通の const なオブジェクトと一
緒でデフォルト内部リンケージ！
だから、ヘッダで定義しておくと実体がいっぱいできたりする。
（事がある。ODR-used の関係で実体が出来ないことも多いけど…）
だからと言って、ヘッダファイルで extern 指定して外部リンケージ
にすると、リンク時にぶつかる…

さてお待ちかね、constexpr な関数です。
constexpr 関数に、コンパイル時定数だけを与えると…
⇒コンパイル時定数！
コンパイル時定数が必要な所で使える！
constexpr 関数に、コンパイル時定数以外も与えると…
⇒普通（コンパイル時定数ではない）
コンパイル時定数が必要な所で使うとエラー！

さてお待ちかね、constexpr な関数です。
constexpr 関数に、コンパイル時定数だけを与えると…
⇒コンパイル時定数！
コンパイル時定数が必要な所で使える！
constexpr 関数に、コンパイル時定数以外も与えると…
⇒普通（コンパイル時定数ではない）
コンパイル時定数が必要な所で使うとエラー！
（余談）
…実はそうとも限らないんだけど…

（余談）引数がコンパイル時定数でもダメな例
constexpr int div(int numer, int denom) {
return numer / denom;
}
constexpr int i1 = div(1, 0);
constexpr int lshift(int num, int bit) {
return num << bit;
}
constexpr int i2 = lshift(1, -1);
エラー！
0 除算はＵＢ！
エラー！
マイナスシフトはＵＢ！

例えば…
様々な条件下での実験結果をstd::arrayに格納したい！
かつ
条件の種類はn種類あって、それぞれ3通りの状態がある！
⇓
std::pow(3, n) でおｋ？

ダメな理由
その１：std::pow は浮動小数点型！
⇒std::size_t にキャストすればいんじゃね？
その２：std::pow は constexpr じゃない！
⇒つらぽよ…

ダメな理由
その１：std::pow は浮動小数点型！
⇒std::size_t にキャストすればいんじゃね？
その２：std::pow は constexpr じゃない！
⇒つらぽよ…
じゃあ
sprout::pow 使おう！！！
じゃあ
sprout::pow 使おう！！！
作ろう！！！

pow は constexpr 関数
constexpr
int pow(int base, int exp) noexcept
{
…
}
こんなの作れば、std::array のサイズ指定も怖くない！
constexpr auto numConds = 5;
std::array<int, pow(3, numConds)> results;
pow は constexpr 関数
ちなみに例外も吐かないよ
実装は後のお楽しみだ。
クックックッ…
results の要素数は
3 の numConds 乗！

しかも、これなら実行時にもお使い頂けます！
auto base = readFromDB(“base”);
auto exp = readFromDB(“exponent”);
auto baseToExp = pow(base, exp);
値を実行時に取得すると…
pow 関数も
実行時に呼び出し！

しかも、これなら実行時にもお使い頂けます！
auto base = readFromDB(“base”);
auto exp = readFromDB(“exponent”);
auto baseToExp = pow(base, exp);
値を実行時に取得すると…
pow 関数も
実行時に呼び出し！
Ｔ
Ｍ
Ｐ
と
は
違
う
の
だ
よ
、
Ｔ
Ｍ
Ｐ
と
は
© ランバ・ラル

で、どうやって書くの？
C++11 だと…
関数本体に書ける実行文は return 文 1 つだけ！
え～と…でも、まあ、
if 文使えなくても条件演算子 ?: があるし、
ループ書けなくても再帰があるし、
return 文 1 つだけでも関係ないよね！

constexpr int pow(int base, int exp) noexcept
{
return (exp == 0 ? 1 : base * pow(base, exp - 1));
}
このくらいだったら、まぁ何とか読み書きできるけど、
ちょっと複雑になったら辛いなぁ…

ちなみに、C++14 なら…
constexpr int pow(int base, int exp) noexcept // C++14
{
auto result = 1;
for (int i = 0; i < exp; ++i)
result *= base;
return result;
}
見える、見えるぞ…
私にも、コードが見える！

実はいろいろ制約あり
引数と戻り値の型は「リテラル型」じゃないとダメなんです。
リテラル型って何ぞ？
平たく言うと、コンパイル時定数になれる型のこと。

リテラル型
C++11 では、組み込み型は void を除いて全部ＯＫ！
ユーザ定義型も一定の条件を満たせばＯＫ！
だってコンストラクタやメンバ関数も constexpr になれるから！

リテラル型
C++11 では、組み込み型は void を除いて全部ＯＫ！
ユーザ定義型も一定の条件を満たせばＯＫ！
だってコンストラクタやメンバ関数も constexpr になれるから！
…どゆこと？

class Point {
public:
constexpr Point(double xVal = 0, double yVal = 0) noexcept
: x(xVal), y(yVal) {}
constexpr double xValue() const noexcept { return x; }
constexpr double yValue() const noexcept { return y; }
void setX(double newX) noexcept { x = newX; }
void setY(double newY) noexcept { y = newY; }
private:
double x, y;
};

class Point {
public:
private:
double x, y;
};
constexpr コンストラクタに
コンパイル時定数を渡すと…
全てのメンバ変数が
コンパイル時定数になる！

class Point {
public:
private:
double x, y;
};
constexpr コンストラクタに
コンパイル時定数を渡すと…
全てのメンバ変数が
コンパイル時定数になる！
オブジェクト自体も
コンパイル時定数に
なる！

constexpr Point p1(9.4, 27.7);
constexpr
Point midpoint(const Point& p1, const Point& p2) noexcept
{
return { (p1.xValue() + p2.xValue()) / 2,
(p1.yValue() + p2.yValue()) / 2 };
}
constexpr auto mid = midpoint(p1, p2);
constexpr オブジェクトを
constexpr 関数の結果で初期化！
コンパイル時定数！！！
constexpr
メンバ関数を呼ぶ！
constexpr コンストラクタは
コンパイル時に走る！

constexpr
Point midpoint(const Point& p1, const Point& p2) noexcept
{
return { (p1.xValue() + p2.xValue()) / 2,
(p1.yValue() + p2.yValue()) / 2 };
}
constexpr オブジェクトを
constexpr 関数の結果で初期化！
constexpr
メンバ関数を呼ぶ！
constexpr コンストラクタは
コンパイル時に走る！
素晴らしい！

今まで
コンパイル時 ------ 超えられない壁 ------ 実行時
今
境界は曖昧に…

今まで
今
実行時処理をコンパイル時処理に
マイグレーションすれば、
実行速度はより速くなる！！！

今まで
今
実行時処理をコンパイル時処理に
マイグレーションすれば、
実行速度はより速くなる！！！
でもコンパイル時間は長く…

constexpr コンストラクタの使い道は
それだけじゃない！
静的オブジェクトの初期化順の問題の一部を解決できる！
（@cpp_akira さんありがとう！！！）
詳しくは Webで！
http://cpprefjp.github.io/reference/mutex/mutex/op_constructor.html
（後でちょっとだけ出てくるよ！）

ところで…
setX と setY は constexpr じゃないけど、
オブジェクトの値変更するんだから仕方ないよね…

そんなメンバ関数も、constexpr になれる。
そう、
C++14 ならね。

class Point {
public:
…
constexpr void setX(double newX) noexcept // C++14
{ x = newX; }
constexpr void setY(double newY) noexcept // C++14
{ y = newY; }
…
};

C++11 で constexpr に出来なかった理由は…
その１：constexpr メンバ関数は暗黙で const 修飾！
だから、オブジェクトの状態は変更できない！
⇒C++14 からは暗黙の const 修飾は亡くなりました！
その２：戻り値の型 void はリテラル型じゃない！
⇒C++14では void もめでたくリテラル型になりました

（余談）Caution!
constexpr メンバ関数の暗黙 const 修飾は C++14 で亡くなるので、
たとえ C++11 で書いていても constexpr メンバ関数には明示的に
const 修飾しておきましょう！！！
そうしないと、コンパイラが C++14 に移行した時に挙動が変わってしまい
ます！！！
（clang は 3.3 から警告が出ます）

constexpr な関数は暗黙で inline です！
（実際、極限のインライン化ですよね…）
だから、普通ヘッダで定義しておく。
（inline だから重複定義にならない）
あと、constexpr として使うには宣言だけじゃなく定義が必要！

でも…
セッタ関数 constexpr で何が嬉しいの？

こんな関数も書けるよ！
// 点 p の原点に対する鏡映を返す(C++14)
constexpr Point reflection(const Point& p) noexcept
{
Point result;
result.setX(-p.xValue());
result.setY(-p.yValue());
return result;
}
非 const の Point を作る
x と y を設定する
それのコピーを返す

当然こんなこともできるよ！
constexpr auto reflectedMid =
reflection(mid);
reflectedMid の値は
(-19.1, -16.5) で、
コンパイル時に分かる
このへんは前と一緒

さて、本項目のアドバイスの理由は明らかになったでしょ？
1. constexpr オブジェクトと constexpr 関数は、非 constexpr
のものよりもより多くの文脈で使える。
2. constexpr を使う事で、あなたが作ったオブジェクトや関数の
使用可能なシチュエーションを最大化することができる。

Caution!!!
constexpr はオブジェクトや関数の
インタフェースの一部
だ！
constexpr、それは
"定数式が必要な箇所で使う事が出来る"
という宣言

Caution!!!
constexpr なオブジェクトや関数を提供
⇓
クライアントコード内の定数式が必要な箇所で使われる
⇓
その後、constexpr を削除
⇓
クライアントコードのコンパイルエラーが大量発生！！！

Caution!!!
デバッグやチューニングのために I/O を追加しよ
⇓
一般的に I/O は constexpr 関数内では許されていない
⇓
constexpr 取らなきゃ！！！

Caution!!!
"whenever possible" は、
長期スパンで考えること！

覚えておくこと
• constexpr オブジェクトは、const で、コンパイル中に分かる値で
初期化される。
• constexpr 関数は、コンパイル時に分かる値を引数に呼び出すと、
コンパイル時に結果を生成する。
• constexpr オブジェクトと関数は、非 constexpr オブジェクトと
関数よりも、より幅広い文脈で使用することができる。
• constexpr はオブジェクトと関数のインタフェースの一部である。

さあ、
今日からあなたも
constexpr で
コンパイル時レイトレ！！！

Effective Modern C++ 勉強会#3 Item 15

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