原则上不可能C++进行严格的模板评估

Is strict template evaluation in principle impossible in C++?

本文关键字：评估 不可能 C++ 原则上      更新时间：2023-10-16

我想我理解模板是如何懒惰地评估C++例如递归替换和扩展的最终简化。这通常会限制可用的递归深度。我想知道使用 C++11 中的新功能（例如可变参数模板或模板包）或一些 Boost 是否可以强制严格的模板评估。还是这在C++原则上是不可能的？

例如，考虑一个将所有整数值相加0..n的模板：

template <int n>
struct sumAll { enum { value = n + sumAll<n-1>::value }; };
template <>
struct sumAll<0> { enum { value = 0 }; };
#include <iostream>
int main() { std::cout << sumAll<10000>::value << std::endl; }

在这里，sumAll<10>::value将扩展到

sumAll<10>::value = 10 + sumAll<9>::value
                  = 10 + 9 + sumAll<8>::value
                  = 10 + 9 + 8 + sumAll<7>::value
                  = ...
                  = 10 + 9 + 8 + 7 + 6 + 5 + 4 + 3 + 2 + 1 + 0

只有在模板完全展开后，才会执行最终求和。如果最终扩展太长（例如，在具有许多项的复杂序列扩展中），编译器最终将耗尽空间来存储其他项。

我的问题本质上是是否有一种方法可以更早地进行简化（如上面的求和）。

您自己决定递归深度。就像普通递归会导致堆栈溢出一样，模板递归也可以。但这通常可以通过更好的递归算法来解决。微不足道：

template <int n>
struct sumAll { enum { value = n + n-1 + sumAll<n-2>::value }; };
template <>
struct sumAll<1> { enum { value = 0 }; };
template <>
struct sumAll<0> { enum { value = 0 }; };

聪明：

template <int n>
struct sumAll { enum { value = (n*n+2)/2; };

当然，你可能会抱怨后者只是愚蠢，真实的例子更复杂。但这难道不是问题的全部吗？编译器无法神奇地为您消除这种复杂性。

C++模板是图灵完备的，这意味着您可以使用它们在编译时评估每个可计算函数。然后从停止定理得出：

  1. 通常，您无法提前计算编译C++程序所需的内存量。 （即，没有可计算的函数将每个C++程序映射到绑定到其编译的内存）
  2. 通常，您无法决定编译器是完成实例化模板，还是将永远继续。

因此，虽然在某些情况下，您可以调整编译器以使用更少的内存，但有时无法解决内存不足的一般问题。

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