[c++] constexpr의 모든 것

바다와 같이 항상성을 유지하는 constexpr

 

 

constexpr는 C++11에서 도입된 키워드로, 컴파일 타임에 계산이 가능한 상수 표현식을 정의할 수 있게 해줍니다. 이 키워드는 주로 함수나 변수를 컴파일 타임에 평가하여 프로그램의 효율성을 높이는 데 사용됩니다. C++17 이후로는 사용 범위가 더욱 확장되어 함수와 변수뿐만 아니라 복잡한 연산과 조건문을 포함한 다양한 표현식도 컴파일 타임에 계산할 수 있게 되었습니다.

constexpr의 특징 및 사용 방법

1. constexpr 변수

constexpr 변수를 사용하면 그 값이 컴파일 타임에 결정되도록 보장됩니다.

constexpr int myValue = 10; // 컴파일 타임에 myValue는 10으로 고정됨

2. constexpr 함수

constexpr 함수를 사용하면 해당 함수가 컴파일 타임에 호출되어 그 결과가 상수로 사용될 수 있습니다. 함수는 반드시 단순하고, 복잡한 런타임 연산이 없어야 합니다.

constexpr int square(int x) {
    return x * x;
}

이 함수는 컴파일 타임에 계산할 수 있는 모든 표현식에 대해 사용할 수 있습니다.

constexpr int squaredValue = square(5); // 컴파일 타임에 25로 계산됨

3. constexpr과 const의 차이점

• const는 런타임 상수임을 의미합니다. 즉, 컴파일 타임에 반드시 초기화되지는 않습니다.
• constexpr는 컴파일 타임에 반드시 계산되어야 하는 상수 표현식을 의미합니다.

const int runtimeValue = 10;         // 런타임 상수
constexpr int compileTimeValue = 20; // 컴파일 타임 상수

constexpr 함수의 예제

기본적인 constexpr 함수

#include <iostream>

constexpr int factorial(int n) {
    return (n <= 1) ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}

int main() {
    constexpr int result = factorial(5); // 컴파일 타임에 계산됨
    std::cout << "Factorial of 5: " << result << std::endl; // 출력: Factorial of 5: 120
    return 0;
}

이 예제에서는 factorial 함수가 컴파일 타임에 계산되어, result가 프로그램이 실행되기 전에 이미 120으로 확정됩니다.

조건문을 포함한 constexpr 함수

C++14부터는 if, switch와 같은 조건문도 constexpr 함수 내에서 사용할 수 있게 되었습니다.

#include <iostream>

constexpr int max(int a, int b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

int main() {
    constexpr int maxValue = max(10, 20); // 컴파일 타임에 20으로 계산됨
    std::cout << "Max value: " << maxValue << std::endl; // 출력: Max value: 20
    return 0;
}

constexpr와 C++ 표준의 발전

• C++11: constexpr의 도입으로 컴파일 타임 상수 표현식과 함수를 정의할 수 있게 되었습니다. 함수 내에서 단일 return 문만 사용 가능했습니다.
• C++14: constexpr 함수 내에서 조건문 (if, switch), 반복문 (for, while) 등을 사용할 수 있게 되어 더 복잡한 계산이 가능해졌습니다.
• C++17: constexpr의 적용 범위가 더욱 확장되어, constexpr 생성자와 멤버 함수, 복잡한 사용자 정의 타입에 대해서도 사용 가능해졌습니다.
• C++20: constexpr에서는 더 많은 기능들이 포함되며, 컴파일 타임 계산의 범위가 거의 무한대로 확장되었습니다.

 

 

 

constexpr 함수와 inline 함수의 차이점

• constexpr 함수:
  • 컴파일 타임에 계산될 수 있는 함수입니다. constexpr 함수는 항상 컴파일 타임에 계산되도록 요구되며, 이로 인해 상수 표현식의 일부로 사용할 수 있습니다.
  • C++11부터 도입되었으며, 컴파일러가 결과를 컴파일 타임에 평가할 수 있도록 보장합니다.
  • 컴파일 타임에 평가될 수 있는 경우, 실제로 컴파일 타임에 계산되지만, 런타임에서도 호출될 수 있습니다.
• inline 함수:
  • 코드 중복을 줄이기 위해 함수 호출을 함수 코드 자체로 대체하도록 하는 힌트를 컴파일러에 제공하는 역할을 합니다.
  • inline 키워드는 컴파일러에게 함수를 인라인으로 대체해달라는 요청이지만, 실제로 인라인으로 대체할지 여부는 컴파일러의 재량에 달려 있습니다.
  • inline 함수는 런타임에 사용됩니다. 따라서 컴파일 타임에 계산되지는 않으며, 호출될 때마다 실행됩니다.

예시:

• constexpr 함수:

constexpr int add(int x, int y) {
    return x + y;
}

int main() {
    constexpr int sum = add(3, 4);  // 컴파일 타임에 7로 계산됨
    return 0;
}

 

• inline 함수

inline int multiply(int x, int y) {
    return x * y;
}

int main() {
    int result = multiply(3, 4);  // 런타임에 호출됨
    return 0;
}

 

복잡한 클래스나 구조체에서 constexpr 활용

constexpr을 사용하는 이유:

constexpr은 복잡한 클래스나 구조체에서도 컴파일 타임에 객체를 초기화하거나 상수를 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 코드의 효율성을 높이고, 특정 값들이 컴파일 타임에 고정되도록 보장하여 오류 가능성을 줄이는 데 유용합니다.

사용 방법:

• constexpr 생성자: 컴파일 타임에 객체를 생성할 수 있도록 허용합니다.
• constexpr 멤버 함수: 클래스의 메서드가 컴파일 타임에 호출될 수 있도록 합니다.

예시:

#include <iostream>

class Point {
public:
    constexpr Point(double x, double y) : x_(x), y_(y) {}

    constexpr double getX() const { return x_; }
    constexpr double getY() const { return y_; }

    constexpr double distanceToOrigin() const {
        return sqrt(x_ * x_ + y_ * y_);
    }

private:
    double x_;
    double y_;
};

int main() {
    constexpr Point p(3.0, 4.0);  // 컴파일 타임에 객체 생성
    constexpr double distance = p.distanceToOrigin();  // 컴파일 타임에 계산

    std::cout << "Distance to origin: " << distance << std::endl;  // 출력: 5
    return 0;
}

 

constexpr을 사용할 때 주의해야 할 사항

주의할 점:

1. 복잡한 연산 제한: 모든 연산이 컴파일 타임에 계산될 수 있는 것은 아닙니다. 예를 들어, 파일 I/O나 동적 메모리 할당 등의 연산은 컴파일 타임에 수행될 수 없습니다.
2. 함수 내 상태 변화 금지: constexpr 함수 내에서는 상태를 변경할 수 없습니다. 모든 입력이 그대로 출력에 반영되어야 하며, 함수 내에서 변경되는 가변 상태가 없어야 합니다.
3. 모든 경로가 constexpr 조건을 충족해야 함: 조건문이나 반복문을 사용하는 경우, 함수의 모든 경로가 constexpr 조건을 만족해야 합니다. 그렇지 않으면 함수가 컴파일 타임에 평가될 수 없습니다.
4. 컴파일러 지원: 모든 컴파일러가 constexpr의 모든 기능을 완벽히 지원하는 것은 아닙니다. 특히, 오래된 컴파일러를 사용할 경우, 일부 constexpr 기능이 제한될 수 있습니다.
5. 런타임 사용 가능성: constexpr로 정의된 함수나 변수는 반드시 컴파일 타임에 계산되지 않을 수도 있습니다. 컴파일 타임에 인자를 알 수 없는 경우 런타임에 평가됩니다. 따라서 constexpr이 항상 컴파일 타임에 평가된다고 가정해서는 안 됩니다.

예시:

constexpr int foo(int x) {
    if (x > 0) {
        return x * x;
    } else {
        return -x;
    }
}

// 이 함수는 x가 컴파일 타임에 주어진다면 컴파일 타임에 평가되지만,
// 런타임에 x가 주어진다면 런타임에 평가됩니다.

이 질문들은 C++에서의 constexpr의 강력한 기능과 그 적용 가능성을 더 깊이 이해하는 데 도움이 될 것입니다. constexpr는 성능 최적화와 코드 안정성에서 중요한 역할을 하며, 이를 적절히 활용하면 더 나은 C++ 프로그램을 작성할 수 있습니다.