Переносите вычисления из времени выполнения во время компиляции

Причина

Чтобы уменьшить размер кода и время выполнения. Чтобы избежать гонок данных за счёт использования констант. Чтобы выявлять ошибки на этапе компиляции (и тем самым устранять необходимость в коде обработки ошибок).

Пример

double square(double d) { return d*d; }
static double s2 = square(2);    // старый стиль: динамическая инициализация

constexpr double ntimes(double d, int n)   // предполагается 0 <= n
{
        double m = 1;
        while (n--) m *= d;
        return m;
}
constexpr double s3 {ntimes(2, 3)};  // современный стиль: инициализация во время компиляции

Код, подобный инициализации s2, не редкость, особенно когда инициализация чуть сложнее square(). Однако по сравнению с инициализацией s3 есть два недостатка:

• во время выполнения несём накладные расходы на вызов функции
• к s2 может обратиться другой поток до завершения инициализации.

Замечание: для константы гонки данных невозможны.

Пример

Рассмотрим популярный приём хранения небольших объектов непосредственно в дескрипторе, а больших — в куче.

constexpr int on_stack_max = 20;

template<typename T>
struct Scoped {     // хранить T в Scoped
        // ...
    T obj;
};

template<typename T>
struct On_heap {    // хранить T в свободном хранилище
        // ...
        T* objp;
};

template<typename T>
using Handle = typename std::conditional<(sizeof(T) <= on_stack_max),
                    Scoped<T>,      // первая альтернатива
                    On_heap<T>      // вторая альтернатива
               >::type;

void f()
{
    Handle<double> v1;                   // double размещается на стеке
    Handle<std::array<double, 200>> v2;  // массив размещается в свободном хранилище
    // ...
}

Предположим, что Scoped и On_heap предоставляют совместимые пользовательские интерфейсы. Здесь мы вычисляем оптимальный тип для использования во время компиляции. Существуют аналогичные приёмы для выбора оптимальной функции для вызова.

Примечание

Идеал — не пытаться выполнить всё во время компиляции. Очевидно, большинство вычислений зависят от входных данных и не могут быть перенесены в компиляцию, но помимо этого логического ограничения существует и то, что сложные вычисления во время компиляции могут серьёзно увеличить время компиляции и усложнить отладку. Код даже можно замедлить за счёт компиляторных вычислений. Это редкость, но разбив общее вычисление на отдельные оптимальные подвычисления, можно снизить эффективность кэша инструкций.

Контроль

• Ищите простые функции, которые могли бы быть constexpr (но не являются ими).
• Ищите функции, вызываемые только с аргументами — константными выражениями.
• Ищите макросы, которые можно заменить на constexpr.