g ++ c ++ 11 constexpr评估性能

Question

g ++（4.7.2）和类似版本似乎在编译期间以惊人的速度评估constexpr。 事实上在我的机器上比运行时编译的程序快得多。

这种行为有合理的解释吗？ 是否存在仅在编译时适用的优化技术，可以比实际编译的代码更快地执行？ 如果是这样，哪个？

这是我的测试程序和观察结果。

#include <iostream>

constexpr int mc91(int n)
 {

     return (n > 100)? n-10 : mc91(mc91(n+11));

 }

constexpr double foo(double n)
{
   return (n>2)? (0.9999)*((unsigned int)(foo(n-1)+foo(n-2))%100):1;
}

constexpr unsigned ack( unsigned m, unsigned n )
{
    return m == 0
        ? n + 1
        : n == 0
        ? ack( m - 1, 1 )
        : ack( m - 1, ack( m, n - 1 ) );
}

constexpr unsigned slow91(int n) {
   return mc91(mc91(foo(n))%100);
}

int main(void)
{
   constexpr unsigned int compiletime_ack=ack(3,14);
   constexpr int compiletime_91=slow91(49);
   static_assert( compiletime_ack == 131069, "Must be evaluated at compile-time" );
   static_assert( compiletime_91  == 91,     "Must be evaluated at compile-time" );
   std::cout << compiletime_ack << std::endl;
   std::cout << compiletime_91  << std::endl;
   std::cout << ack(3,14) << std::endl;
   std::cout << slow91(49) << std::endl;
   return 0;
}

编译时：

time g++ constexpr.cpp -std=c++11 -fconstexpr-depth=10000000 -O3 

real    0m0.645s
user    0m0.600s
sys     0m0.032s

运行：

time ./a.out 

131069
91
131069
91

real    0m43.708s
user    0m43.567s
sys     0m0.008s

这里mc91是通常的mac carthy f91（可以在wikipedia上找到），而foo只是一个无用的函数，返回大约1到100之间的实际值，具有fib运行时复杂性。

编译器和编译程序使用相同的参数来评估91的慢速计算和ackermann函数。

令人惊讶的是，程序甚至可以运行得更快，只需生成代码并通过编译器运行它，而不是执行代码本身。

Answer 1

在编译时，可以记忆冗余（相同） constexpr调用，而运行时递归行为不提供此功能。

如果你改变每个递归函数，如...

constexpr unsigned slow91(int n) {
   return mc91(mc91(foo(n))%100);
}

......到是不是一个形式constexpr ， 但记得在运行时过去算了一笔账：

std::unordered_map< int, boost::optional<unsigned> > results4;
//     parameter(s) ^^^           result ^^^^^^^^

unsigned slow91(int n) {
     boost::optional<unsigned> &ret = results4[n];
     if ( !ret )
     {
         ret = mc91(mc91(foo(n))%100);
     }
     return *ret;
}

你会得到不那么令人惊讶的结果。

编译时：

time g++ test.cpp -std=c++11 -O3

real    0m1.708s
user    0m1.496s
sys     0m0.176s

运行：

time ./a.out

131069
91
131069
91

real    0m0.097s
user    0m0.064s
sys     0m0.032s

Answer 2

记忆化

这是一个非常有趣的“发现”，但答案可能比你想象的更简单。

东西可以评价编译时声明时constexpr如果所涉及在编译时是已知的所有的值（如果在那里将数值应该结束该变量被声明constexpr以及）与所述想象以下伪代码：

f(x)   = g(x)
g(x)   = x + h(x,x)
h(x,y) = x + y

因为每个值在编译时都是已知的，所以编译器可以将上面的内容重写为等效的，如下：

f(x) = x + x + x

换句话说，每个函数调用都已被删除并替换为表达式本身的函数调用。 同样适用的是一种称为memoization的方法，其中存储的计算表达式的结果被存储起来，因此您只需要进行一次艰苦的工作。

如果你知道g(5) = 15为什么要再计算一次？ 而只需在每次需要时将g(5)替换为15 ，这是可能的，因为声明为constexpr的函数不允许有副作用 。

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运行

在运行时，这没有发生（因为我们没有告诉代码以这种方式运行）。 通过您的代码运行的小家伙将需要跳到f到g于h ，然后跳回g从h它跳跃从之前g到f所有，而他存储每个函数的返回值，将它传递给下一个。

即使这个人非常小，并且他不需要跳得很远，他仍然不喜欢一直来回跳跃，他需要做很多事情并且这样做; 这需要时间。

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但是在OPs的例子中，是否真的计算了编译时间 ？

是的，对于那些不相信编译器实际计算并将其作为常量二进制的常量的人，我将从下面的OP代码提供相关的汇编指令（ g++ -S -Wall -pedantic -fconstexpr-depth=1000000 -std=c++11 ）

main:
.LFB1200:
  .cfi_startproc
  pushq %rbp
  .cfi_def_cfa_offset 16
  .cfi_offset 6, -16
  movq  %rsp, %rbp
  .cfi_def_cfa_register 6
  subq  $16, %rsp
  movl  $131069, -4(%rbp)
  movl  $91, -8(%rbp)
  movl  $131069, %esi               # one of the values from constexpr
  movl  $_ZSt4cout, %edi
  call  _ZNSolsEj
  movl  $_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, %esi
  movq  %rax, %rdi
  call  _ZNSolsEPFRSoS_E
  movl  $91, %esi                   # the other value from our constexpr
  movl  $_ZSt4cout, %edi
  call  _ZNSolsEi
  movl  $_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, %esi
  movq  %rax, %rdi

  # ...
  # a lot of jumping is taking place down here
  # see the full output at http://codepad.org/Q8D7c41y