Как вычислять значения на этапе компиляции в C/C++?

В C++ для вычисления значений на этапе компиляции используются спецификаторы consteval и constexpr, а также шаблоны метапрограммирования. В C11+ для ограниченного набора выражений — ключевое слово const.

• constexpr: Указывает, что переменная или функция может быть вычислена на этапе компиляции. Если все аргументы известны на этапе компиляции, компилятор попытается выполнить вычисление. Если нет, вычисление произойдет в рантайме.

  // C++
  constexpr int factorial(int n) {
      return (n <= 1) ? 1 : n * factorial(n - 1);
  }
  
  int main() {
      // Вычисление на этапе компиляции
      constexpr int fact5 = factorial(5);
  
      // Вычисление в рантайме (если аргумент не известен на этапе компиляции)
      int runtime_val = 6;
      int fact_runtime = factorial(runtime_val);
  
      return 0;
  }
  

• consteval: (C++20) Указывает, что функция должна быть вычислена на этапе компиляции. Вызов такой функции в контексте, где результат не может быть вычислен на этапе компиляции, приведет к ошибке компиляции.

  // C++20
  consteval int compile_time_add(int a, int b) {
      return a + b;
  }
  
  int main() {
      // OK: Вычисление на этапе компиляции
      constexpr int sum = compile_time_add(10, 20);
  
      // Ошибка компиляции: аргумент не известен на этапе компиляции
      // int runtime_val = 5;
      // int sum_runtime = compile_time_add(sum, runtime_val);
  
      return 0;
  }
  

• Шаблоны метапрограммирования: Используют инстанцирование шаблонов для выполнения вычислений на этапе компиляции. Чаще всего используются для рекурсивных вычислений и генерации типов.

  // C++
  // Вычисление факториала с помощью шаблонов
  template<int N>
  struct Factorial {
      static const int value = N * Factorial<N - 1>::value;
  };
  
  template<>
  struct Factorial<0> {
      static const int value = 1;
  };
  
  int main() {
      // Вычисление на этапе компиляции через инстанцирование шаблона
      constexpr int fact6 = Factorial<6>::value;
  
      return 0;
  }
  

• const: В C11 и более поздних версиях C, переменные, объявленные с const и инициализированные константным выражением, могут использоваться в контекстах, требующих констант времени компиляции (например, размер статического массива).

  // C11+
  const int array_size = 10; // Константное выражение
  int static_array[array_size]; // OK в C11+
  
  // В C++ это всегда было возможно для const с константным инициализатором.
  

Вычисление на этапе компиляции (constexpr evaluation, compile-time evaluation) позволяет:

• Повысить производительность, избегая выполнения кода в рантайме.
• Сделать код безопаснее, выявляя ошибки вычислений (например, деление на ноль) на этапе компиляции.
• Использовать вычисленные значения в контекстах, требующих констант (размеры массивов, аргументы шаблонов и т.д.).