[Effective Modern C++] constexpr

constexpr은 Constant expression이지만, 기존의 const예약어와는 조금 다릅니다.

개념적으로 constexpr은 해당 값이 상수 뿐 아니라, 컴파일 시점에 알려지는 값을 나타냅니다.

그 외에도 함수, 생성자 등에 적용 가능하다는 특성 또한 존재하며, constexpr이 적용된 식 등이 항상 const하지는 않다는 특징이 있습니다.

단점이 아닌 특징으로, 이것은 constexpr의 기능에 속합니다.

이번 글에서는 constexpr에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

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1. constexpr객체와 상수성

 

constexpr객체는 const이지만, const객체는 constexpr이 아닙니다.

이것은 상수 표현식이 필요한 구문에서 차이를 살펴볼 수 있습니다.

예제를 살펴보도록 하겠습니다.

int val
...
constexpr auto arr_size_1 = val;
const auto arr_size_2 = val;
const auto arr_size_3 = 10;
...
std::array<int, arr_size_1> arr1;
std::array<int, arr_size_2> arr2;
std::array<int, arr_size_3> arr3;

위의 구문들은 다음과 같이 해석할 수 있습니다.

arr_size_1	Error	arr1	Error
arr_size_2	const int	arr2	Error
arr_size_3	constexpr int	arr3	std::array<int>

constexpr은 컴파일 시점에 알려지는 값을 나타냅니다. 따라서 컴파일 시점에 값이 결정되지 않은 val을 arr_size_1에 대입할 수 없습니다.

또한 배열 크기, std::array의 길이, 열거자의 값 등 상수 표현식이 필요한 구문들은 컴파일 시점에 그 값이 알려져 있어야 합니다. 따라서 arr1, arr2 또한 컴파일이 되지 않습니다.

 

const객체가 컴파일 시점에 값이 초기화되지 않을 수 있다는 점 만으로도, constexpr과 const의 차이는 뚜렷하다고 생각합니다.

 

2. constexpr함수와 파라미터

 

constexpr함수는 파라미터의 종류에 따라 달라집니다.

• 파라미터가 컴파일 시점 상수일 경우, 함수의 결과가 컴파일 도중 계산됩니다. 따라서, 컴파일 시점 상수를 요구하는 문맥에 사용할 수 있게 됩니다. 만약 인수의 값이 컴파일 시점에 알려지지 않을 경우 컴파일이 거부됩니다.
• 파라미터 중 컴파일 시점에 알려지지 않는 값이 존재할 경우, 일반 함수처럼 작동합니다. 실행시점에 값이 계산되고, 컴파일 시점 상수가 필요한 문맥에 사용할 수 없습니다.

이는 같은 함수가 컴파일 시점, 실행 시점에 나뉘어야 할 경우 분리해서 구현할 필요가 없다는 것을 의미합니다.

예제를 살펴보도록 하겠습니다.

#include <iostream>
using namespace std;

constexpr int function(int val) {
    return val + 5;
}

int main() {
    int size = 5;
    std::array<int, function(5)> arr_1;
    std::array<int, function(size)> arr_2;
}

C2975 : '_Size': 'std::array'의 템플릿 인수가 잘못되었습니다. 컴파일 타임 상수 식이 필요합니다.

 위 constexpr 함수인 function을 이용하여 std::array를 초기화 하는 두 가지 식이 있습니다.

첫 번째 식은 상수를 파라미터로 했기 때문에 컴파일 시점 상수가 되어 문제없이 컴파일 되지만, 두 번째 식은 함수의 결과가 실행 시점에 계산되기 때문에 컴파일 되지 않습니다.

 

3. constexpr함수의 제약

 

constexpr함수는 반드시 컴파일 시점에 결과를 산출할 수 있어야 합니다. 따라서 제약이 일부 존재하는데, 그 제약들이 C++11과 C++14에서 조금 차이점을 보입니다.

 

우선, C++11에서 constexpr함수의 구현부는 최대 한 줄 입니다. 일반적으로 void가 아닌 이상, return 구문이 그 한 줄을 차지하게 될 것입니다.

이러햔 제약 때문에 constexpr함수에서 할 수 있는 일이 많지 않은데, 이것을 그나마 확장시킬 수 있는 방법이 삼항 연산자와 재귀호출 입니다. 두 방법을 이용해서 거듭제곱 함수를 만들 경우 아래와 같이 구현할 수 있습니다.

constexpr int pow(int base, int exp) {
    return (exp == 0 ? 1 : base * pow(base, exp - 1));
}

이런 구현부의 제한은 C++14에서 사라졌습니다.

 

constexpr함수는 반드시 리터럴 타입을 파라미터로 받고, 넘겨주어야 합니다.

리터럴 타입은 컴파일 시점에 값을 결정할 수 있는 형식이며, 기본 자료형 (C++11에서는 void 제외) 및 constexpr인 사용자 형식이 리터럴 타입이 될 수 있습니다.

사용자 형식이 constexpr이 되려면 생성자와 적절한 멤버 함수가 constexpr이 되어야 합니다.

#include <iostream>
using namespace std;

class MyClass {
public:
    constexpr MyClass(int val = 0) noexcept : data(val){}
    constexpr int get_data() const noexcept { return data; }
    void set_data(int val) noexcept { data = val; }
private:
    int data;
};

int main(){
    constexpr MyClass a(10);
}

위와 같이 constexpr로 선언된 생성자가 있는 MyClass는 constexpr로 선언이 가능합니다.

위 코드의 set_data가 constexpr이 아닌 이유는 두 가지 이며, 이는 C++11에서만 해당됩니다. C++14에서는 해당 내용들이 사라져 constexpr로 선언할 수 있습니다.

• constexpr멤버 함수는 암묵적으로 const로 선언됩니다. 따라서 값을 수정하는 코드를 사용할 수 없습니다.
• 예제 이전 문단에서 언급되었듯, C++11에서는 void가 리터럴 타입에 속하지 않습니다.

 

위와 같이 constexpr객체를 생성하는 것은 그러한 객체를 읽기 전용 메모리에 생성할 수 있다는 의미입니다.

또한 이것은 실행 시점에 발생하는 계산을 컴파일 시점으로 옮길 수 있다는 것을 의미하고, 이는 곧 실행 속도의 향상을 의미합니다.

 

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constexpr을 사용할 경우 함수, 객체가 사용되는 범위를 확장할 수 있습니다.

또한 실행 시점의 연산 일부를 컴파일 시점으로 옮기는 것으로, 컴파일 시간이 늘어나게 되지만 실행 시간을 단축 시킬 수 있다는 특징도 있습니다.

 

하지만 constexpr을 사용할 때 주의해야 할 점도 존재하는데, constexpr이 함수, 객체의 인터페이스라는 점 입니다.

noexcept에 관해 살펴보았을 때 처럼, constexpr을 사용할 때에는 이 설계가 얼마나 유지될 수 있는지 생각해보아야 할 것입니다.

특히 디버깅, 혹은 특정 성능 측정 관련 이슈로 인해 입출력 기능을 추가하게 될 경우 constexpr이 빠지게 될 수 있는데, 이 경우 클라이언트 코드에서 실행이 불가능한 상황이 발생할 수 있습니다.

확장성 및 성능을 위해 constexpr을 최대한 사용하는 것이 좋겠지만, 고려해보아야 할 것은 확실하게 고려하는 것이 좋겠습니다.

 

감사합니다.