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C++17常用新特性(十二)---编译器的if语句

CPP开发前沿

发布于 2022-06-04 09:31:05

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代码可运行

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代码可运行

编程时通过在if语句中使用constexpr关键字就可以在编译期计算if语句中的表达式，然后决定if语句走到哪个分支，没有走到的分支虽然编译器也会对这部分的代码进行代码走查，但其实这些代码最终可能不会被生成或者说被编译器丢弃。如下面这段代码所示：

template <typename T>
std::string ToString(T x){
    if constexpr(std::is_same_v<T, std::string>) {
        return x; //如果是字符串走到这个分支
    }
    else if constexpr(std::is_arithmetic_v<T>) {
        return std::to_string(x); //如果是数值型走到这个分支
    }
    else {
        return std::string(x);
    }
}

如上面的代码，传入的参数类型T会在编译期和if各分支语句中的类型相比较，如果is_same_v返回值不为真，这条语句可能就会被编译器丢弃掉。

1 编译器if语句缘起

在上面的示例代码中，如果将if表达式前的constexpr关键字去掉，然后在对模版做如下实例化时，再次对程序进行编译和执行会产生什么效果呢？实例化代码如下：

int main()
{
    cout<<ToString(42)<<endl;
    cout<<ToString("Hello World")<<endl;
    return 0;
}

点击编译，编译器将会报错，报错内容为：

从上图可以看出，传入类型为整型时，会使代码在if语句和else语句后的表达式无效从而导致编译器失败。失败的原因是什么呢？

这是因为在去掉了constexpr关键字后，实例化模板时编译器会将整个模板函数作为一个整体，if语句表达式检查又是运行时特性，即使在模板函数中if语句表达式为false也要能够通过编译才行。

现在就可以理解了，加上constexpr之所以能够通过编译，是因为在编译期对于表达式的值进行计算后，如果为false就不会生成该段代码，所以能通过编译并输出正确结果。

还有一点需要注意的就是：即使在编译期部分分支代码被丢弃，但是也必须满足语法正确。

2 使用编译期 if 语句

原则上可以在所有的if语句中使用表达式，但是也有限制，既不能将它代替预编译指令，不能在函数体之外进行使用。

2.1 编译期if语句影响函数返回值

如下面的代码所示，代码编译没有问题，但是在运行时函数结果返回会导致不确定性。

template <typename T>
auto GetValue(T t){
    if constexpr(std::is_same_v<T,std::string>){
        return "Success";
    }
    else{
        return 0;
    }
}

上面这段代码在编译时总是成功的，但是运行时改函数调用每次返回的结果类型是不一样的，如果传入一个string型，将返回字符串，其他则返回0这个整型数据。

2.2 编译期if语句返回值return不能省

编译器if语句不能省略else语句的返回值，否则可能导致编译器报错。如下面的代码就有可能会产生上面的问题：

template <typename T>
auto GetValue(T t){
    if constexpr(sizeof(int)==4){
        return "hello";
    }
    return 1;
}

int main()
{
    cout<<GetValue(34)<<endl;
    return 0;
}

上面的代码传入一个整型数据时，会同时满足函数中if语句和if之外的返回语句，因此编译器会因为同时返回两个类型而报错。报错内容为：

只需要稍微改动，就可以将上面的代码通过编译器并运行出正确的结果。如下代码所示：

template <typename T>
auto GetValue(T t){
    if constexpr(sizeof(int)==4){
        return "hello";
    }
    else{
       return 1; 
    }
}

通过比较可以得出，运行时的if语句可以将else省略放到外面，但是编译期的if语句不能这么使用，因为这可能导致函数返回两个不同的类型返回值从而导致编译失败。

2.3 编译期if语句中的复杂表达式

之前写代码时，习惯在if语句中进行&&、||的表达式运算，但如果在编译期if语句中还这么写的话可能就会导致错误了。因此，如果想要使用编译期if语句达到和运行时if语句相同的效果，就需要把if语句中的表达式进行拆分改成if嵌套语句进行使用。之所以这么做也是因为，在编译期if语句中编译时判断的是if语句的整体，需要所有的语法格式都正确，才能通过编译。就像下面这段代码一样。

template <typename T>
auto GetValue(T t){
    if constexpr (std::is_integral<T>::value && T{} < 10) {
        return t + 2;
    }
    return t;
}

如上面的代码，如果传入一个整型数据时能够正常编译且输出t+2的结果，当传入一个字符串时编译器就会报错。如做如下实例化时：

int main()
{
    cout<<GetValue("24")<<endl;
    return 0;
}

报错结果如下：

3 带初始化的编译期if语句

惊喜吧，if语句中也可以进行初始化了，使用方法也很简单，方法如下：

using namespace std;
template <typename T>
auto GetValue(T t){
    if constexpr (std::is_integral<T>::value) {
        if constexpr(auto obj=t;std::is_same_v<decltype(obj),T>){
            cout<<"obj和T类型一致"<<endl;
            return 1;
        }
        else{
            cout<<"obj和T类型不一致"<<endl;
            return 2;
        }
    }
    else{
        return "hello";
    }
}

上面的代码就是在编译期if语句中对局部变量进行初始化并判断类型，然后输出不同的结果，当实例化代码如下所示时，它的输出结果和预期的是一致的。

int main()
{
    cout<<GetValue(12)<<endl;
    return 0;
}

输出结果为：

obj和T类型一致
1

4 普通函数中使用编译期if语句

if constexpr 可以在任何函数中使用，需要注意的是在普通函数中使用的时候需要保证if语句的各分支语句都是正确的，否则也会导致编译错误。如下面的代码就不能通过编译：

int main()
{
    if constexpr(std::numeric_limits<char>::is_signed) {
        static_assert(std::numeric_limits<char>::is_signed);
    }
    else {
        static_assert(!std::numeric_limits<char>::is_signed);
    }
    return 0;
}