为什么consteval/constexpr和模板元函数之间的编译时间有如此巨大的差异?

我很好奇就编译时评估而言,我可以将 gcc 推多远,所以我让它计算了Ackermann函数,特别是输入值为 4 和 1(高于此值的任何值都是不切实际的):

consteval unsigned int A(unsigned int x, unsigned int y)
{
    if(x == 0)
        return y+1;
    else if(y == 0)
        return A(x-1, 1);
    else
        return A(x-1, A(x, y-1));
}

unsigned int result = A(4, 1);

(我认为递归深度限制在~16K,但为了安全起见,我用它编译了这个-std=c++20 -fconstexpr-depth=100000 -fconstexpr-ops-limit=12800000000

毫不奇怪,这占用了大量的堆栈空间(实际上,如果以 8mb 的默认进程堆栈大小运行,它会导致编译器崩溃)并且需要几分钟的时间来计算。但是,它最终确实到达了那里,因此显然编译器可以处理它。

在那之后,我决定尝试使用模板、元函数和偏特化模式匹配来实现 Ackermann 函数。令人惊讶的是,以下实现只需几秒钟即可评估:

template<unsigned int x, unsigned int y>
struct A {
    static constexpr unsigned int value = A<x-1, A<x, y-1>::value>::value;
};

template<unsigned int y>
struct A<0, y> {
    static constexpr unsigned int value = y+1;
};

template<unsigned int x>
struct A<x, 0> {
  static constexpr unsigned int value = A<x-1, 1>::value;
};

unsigned int result = A<4,1>::value;

(编译-ftemplate-depth=17000

为什么评估时间会有如此巨大的差异?这些本质上不是等价的吗?我想我可以理解consteval需要更多内存和评估时间的解决方案,因为在语义上它由一堆函数调用组成,但这并不能解释为什么在运行时计算的这个完全相同的(非consteval)函数只比元函数版本(未优化编译)。

为什么consteval这么慢?我几乎很想得出结论,它正在由 GIMPLE 解释器或类似的东西进行评估。还有,元函数版本怎么能这么快?它实际上并不比优化的机器代码慢多少。

回答

在 的模板版本中A,当特定的特A<2,3>化(例如)被实例化时,编译器会记住这种类型,并且永远不需要再次实例化它。这是因为类型是唯一的,对这个元函数的每次“调用”只是计算一个类型。

consteval函数的版本不优化,要做到这一点,所以A(2,3)可能会多次评估,根据不同的控制流,导致你观察到的性能差异。没有什么可以阻止编译器“缓存”函数调用的结果,但这些优化可能还没有实现。


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THE END
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