c++ - constexpr仿函数中的成员导致运行时执行

我使用仿函数以以下方式生成编译时计算的代码(我为冗长的代码表示歉意，但这是我发现的再现行为的唯一方法):

#include <array>
#include <tuple>

template <int order>
constexpr auto compute (const double h)
{
  std::tuple<std::array<double,order>,
         std::array<double,order> > paw{};

  auto xtab = std::get<0>(paw).data();
  auto weight = std::get<1>(paw).data();

  if constexpr ( order == 3 )
              {
            xtab[0] =  - 1.0E+00;
            xtab[1] =    0.0E+00;
            xtab[2] =    1.0E+00;

            weight[0] =  1.0 / 3.0E+00;
            weight[1] =  4.0 / 3.0E+00;
            weight[2] =  1.0 / 3.0E+00;
              }
  else if constexpr ( order == 4 )
              {
            xtab[0] =  - 1.0E+00;
            xtab[1] =  - 0.447213595499957939281834733746E+00;
            xtab[2] =    0.447213595499957939281834733746E+00;
            xtab[3] =    1.0E+00;

            weight[0] =  1.0E+00 / 6.0E+00;
            weight[1] =  5.0E+00 / 6.0E+00;
            weight[2] =  5.0E+00 / 6.0E+00;
            weight[3] =  1.0E+00 / 6.0E+00;
              }

  for (auto & el : std::get<0>(paw))
      el = (el + 1.)/2. * h ;

  for (auto & el : std::get<1>(paw))
    el = el/2. * h ;

  return paw;
}


template <std::size_t n>
class Basis
{
public:

  constexpr Basis(const double h_) :
    h(h_),
    paw(compute<n>(h)),
    coeffs(std::array<double,n>())
  {}

  const double h ;
  const std::tuple<std::array<double,n>,
           std::array<double,n> > paw ;
  const std::array<double,n> coeffs ;

  constexpr double operator () (int i, double x) const
  {
    return 1. ;
  }

};

template <std::size_t n,std::size_t p,typename Ltype,typename number=double>
class Functor
{
 public:
  constexpr Functor(const Ltype L_):
    L(L_)
  {}

  const Ltype L ;

  constexpr auto operator()(const auto v) const
  {
    const auto l = L;
    // const auto l = L();
    std::array<std::array<number,p+1>,p+1> CM{},CM0{},FM{};
    const auto basis = Basis<p+1>(l);
    typename std::remove_const<typename std::remove_reference<decltype(v)>::type>::type w{};

    for (auto i = 0u; i < p + 1; ++i)
      CM0[i][0] += l;
    for (auto i = 0u ; i < p+1 ; ++i)
      for (auto j = 0u ; j < p+1 ; ++j)
        {
          w[i] += CM0[i][j]*v[j];
        }
    for (auto b = 1u ; b < n-1 ; ++b)
      for (auto i = 0u ; i < p+1 ; ++i)
        for (auto j = 0u ; j < p+1 ; ++j)
          {
            w[b*(p+1)+i] += CM[i][j]*v[b*(p+1)+j];
            w[b*(p+1)+i] += FM[i][j]*v[(b+1)*(p+1)+j];
          }
    return w ;
  }
};

int main(int argc,char *argv[])
{
  const auto nel = 4u;
  const auto p = 2u;
  std::array<double,nel*(p+1)> x{} ;
  constexpr auto L = 1.;
  // constexpr auto L = [](){return 1.;};
  const auto A = Functor<nel,p,decltype(L)>(L);
  const volatile auto y = A(x);
  return 0;
}

我使用带有标志的GCC 8.2.0进行编译:

-march=native -std=c++1z -fconcepts -Ofast -Wa,-adhln

并且，当查看生成的程序集时，将在运行时执行计算。

如果我更改下面两行注释的两行，则会发现代码确实在编译时执行，并且只将volatile变量的值放在了程序集中。

我试图生成一个较小的示例来重现该行为，但是在编译时确实会对代码进行小的更改。

我以某种方式理解为什么提供constexpr lambdas会有所帮助，但我想理解为什么在这种情况下提供double值不起作用。理想情况下，我不希望提供lambda，因为它会使前端变得更加困惑。

该代码是非常庞大的代码库的一部分，因此请忽略该代码实际在计算什么，我创建了此示例以演示行为，仅此而已。

在不更改编译时行为的情况下，向仿函数提供 double 并将其存储为const成员变量的正确方法是什么？

为什么对compute()函数进行小的修改(例如，其他小的更改也是如此)确实会产生编译时间代码？

我想了解GCC提供这些编译时计算的实际条件是什么，因为我正在从事的实际应用程序需要它。

谢谢!

最佳答案

不确定要了解何时在运行时执行代码以及何时在编译时执行代码，无论如何，C++语言的规则(不仅是g++并且忽略了as-if规则)是constexpr函数

可以在运行时执行，并且在计算值知道运行时(例如:来自标准输入的值)时必须在运行时执行。

可以在编译时执行，并且当结果到达严格要求编译时知道值的位置时，必须在编译时执行(例如:constexpr变量的初始化，非类型的模板参数，C样式数组的维数，static_assert()测试)

有一个灰色区域-当编译器知道计算编译时所涉及的值，但计算值不符合严格要求编译时值的地方时-编译器可以选择是计算编译时还是运行-时间。

如果您有兴趣

const volatile auto y = A(x);

在我看来，我们处在灰色区域，编译器可以选择是否计算y编译时间或运行时的初始值。

如果您想要y初始化的编译时，我想您可以获取定义它的代码(以及前面的变量)constexpr

  constexpr auto nel = 4u;
  constexpr auto p = 2u;
  constexpr std::array<double,nel*(p+1)> x{} ;
  constexpr auto L = 1.;
  // constexpr auto L = [](){return 1.;};
  constexpr auto A = Functor<nel,p,decltype(L)>(L);
  constexpr volatile auto y = A(x);