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コンピューティングにおいて、コンパイル時関数実行（またはコンパイル時関数評価、あるいは一般的な定数式）とは、通常は関数をマシンコードにコンパイルして実行時に実行するコンパイラが、コンパイル時に関数を実行する機能のことです。これは、関数の引数がコンパイル時にわかっており、関数がグローバル状態を参照したり変更しようとしたりしない場合（つまり、純粋関数の場合） に可能です。
一部の引数の値のみがわかっている場合でも、コンパイラはコンパイル時の関数実行 (部分評価)をある程度実行できる可能性があり、引数がわかっていない場合よりも最適化されたコードが生成される場合があります。
例
リスプ
Lispマクロ システムは、同じ言語内でユーザー定義関数のコンパイル時評価を使用する初期の例です。
C++
C++のメタコード拡張（Vandevoorde 2003）[1]は、C++テンプレートメタプログラミングの改良された構文として、コンパイル時関数評価（CTFE）とコードインジェクションを可能にする初期の実験的なシステムでした。
以前のバージョンのC++では、コンパイル時に値を計算するためにテンプレート メタプログラミングがよく使用されていました。たとえば、次のようになります。
テンプレート< int N >構造体Factorial { enum { value = N * Factorial < N - 1 >:: value }; };
テンプレート<>構造体Factorial < 0 > { enum {値= 1 }; };
// Factorial<4>::value == 24
// Factorial<0>::value == 1
void Foo () { int x = Factorial < 0 >:: value ; // == 1 int y = Factorial < 4 >:: value ; // == 24 }
コンパイル時の関数評価を使用すると、階乗を計算するために使用されるコードは、たとえば C++11 constexpr を使用して実行時の評価用に記述するものと似ています。
#include <cstdio>
constexpr int階乗( int n ) {戻り値n ? ( n *階乗( n - 1 )) : 1 ; }
constexpr int f10 =階乗( 10 );
int main () { printf ( "%d \n " , f10 ); 0 を返す; }
C++11では、この手法は一般化定数式（ ）として知られていますconstexpr。[2] C++14ではconstexprの 制約が緩和され、ローカル宣言や条件文やループの使用が可能になりました（実行に必要なすべてのデータがコンパイル時に利用可能であるという一般的な制限は残っています）。
以下は C++14 でのコンパイル時関数評価の例です。
//コンパイル時の反復階乗。constexpr int Factorial ( int n ) { int result = 1 ; while ( n > 1 ) { result *= n -- ; } return result ; }
int main () { constexpr int f4 = Factorial ( 4 ); // f4 == 24 }
即時関数 (C++)
C++20では、即時関数が導入され、constexpr制限が緩和され、コンパイル時の関数実行がよりアクセスしやすく柔軟になりました。
// コンパイル時の反復階乗。consteval
int Factorial ( int n ) { int result = 1 ; while ( n > 1 ) { result * = n -- ; } return result ; }
int main () { int f4 = Factorial ( 4 ); // f4 == 24 }
関数は とFactorialマークされているためconsteval、別の明示的に定数評価されるコンテキストで強制されることなく、コンパイル時に呼び出されることが保証されます。したがって、即時関数の使用は、メタプログラミングやコンパイル時のチェック (C++20 テキスト書式設定ライブラリで使用) で幅広く使用されます。
コンパイル時の関数実行で即時関数を使用する例を次に示します。
void you_see_this_error_because_assertion_fails () {}
consteval void cassert ( bool b ) { if ( ! b ) you_see_this_error_because_assertion_fails (); }
consteval void test () { int x = 10 ; cassert ( x == 10 ); // ok x ++ ; cassert ( x == 11 ); // ok x -- ; cassert ( x == 12 ); // ここで失敗}
int main () {テスト(); }
この例では、即時関数が定数式で使用できない関数を呼び出したため、コンパイルが失敗します。つまり、アサーションが失敗した後にコンパイルが停止します。
典型的なコンパイル エラー メッセージは次のようになります。
関数' int main () '内: ' constexpr '内で' test () 'が展開され、 ' constexpr '内で' cassert ( x == 12 ) 'が展開され、エラー:非' constexpr '関数' you_see_this_error_because_assertion_fails () 'が呼び出されましたyou_see_this_error_because_assertion_fails (); ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~^~ [ ... ]
コンパイル時の引数チェックを可能にするコンストラクターとして即時関数を使用する別の例を次に示します。
#include <文字列ビュー> #include <iostream>
voidメッセージが感嘆符で終わるため、このエラーが発生します() {}
構造体checked_message { std :: string_viewmsg ;
consteval checked_message ( const char * arg ) : msg ( arg ) { if ( msg . ends_with ( '!' )) you_see_this_error_because_the_message_ends_with_exclamation_point (); } } ;
void send_calm_message ( checked_message arg ) { std :: cout << arg . msg << '\n' ; }
int main () { send_calm_message ( "こんにちは、世界" ); send_calm_message ( "こんにちは、世界!" ); }
ここでコンパイルが失敗し、次のメッセージが表示されます:
関数' int main () '内: ' checked_message ((( const char * ) "Hello, world!" )) 'の' constexpr '展開でエラー:非' constexpr '関数' void you_see_this_error_because_the_message_ends_with_exclamation_point ( ) ' you_see_this_error_because_the_message_ends_with_exclamation_point ( ); ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ^ ~ [ ... ]
だ
以下はDプログラミング言語におけるコンパイル時の関数評価の例である: [3]
int階乗( int n ) { if ( n == 0 ) return 1 ; return n *階乗( n - 1 ); }
// コンパイル時に計算される
enum y = factorial ( 0 ); // == 1 enum x = factorial ( 4 ); // == 24
この例では、通常は実行時に評価される「factorial」という有効な D 関数を指定しています。 を使用するとenum、変数の初期化子はコンパイル時に計算する必要があることがコンパイラに通知されます。関数の引数もコンパイル時に解決できる必要があることに注意してください。[4]
CTFE を使用すると、コンパイル時にデータ構造を簡単な方法で設定できます (D バージョン 2):
int [] genFactorials ( int n ) { auto result = new int [ n ]; result [ 0 ] = 1 ; foreach ( i ; 1 .. n ) result [ i ] = result [ i - 1 ] * i ; return result ; }
列挙型の階乗= genFactorials ( 13 );
void main () {}
// 'factorials' はコンパイル時に次の値を含みます:
// [1, 1, 2, 6, 24, 120, 720, 5_040, 40_320, 362_880, 3_628_800,
// 39_916_800, 479_001_600]
CTFE を使用すると、D で D コードとして解析およびコンパイルされる文字列を生成できます。
ジグ
以下はZigプログラミング言語におけるコンパイル時関数評価の例である: [5]
pub fn factorial ( n : usize ) usize { var result = 1 ; for ( 1 ..( n + 1 )) | i | { result *= i ; } return result ; }
pub fn main () void { const x = comptime factorial ( 0 ); // == 0 const y = comptime factorial ( 4 ); // == 24 }
この例では、通常は実行時に評価される「factorial」という有効な Zig 関数を指定します。 を使用するとcomptime、変数の初期化子はコンパイル時に計算する必要があることがコンパイラに通知されます。関数の引数もコンパイル時に解決できる必要があることに注意してください。
Zigはコンパイル時パラメータもサポートしています。[6]
pub fn factorial ( comptime n : usize ) usize { var result : usize = 1 ; for ( 1 ..( n + 1 )) | i | { result *= i ; } return result ; }
pub fn main () void { const x = factorial ( 0 ); // == 0 const y = factorial ( 4 ); // == 24 }
CTFE はコンパイル時に汎用データ構造を作成するために使用できます。
fn List ( comptime T : type ) type { return struct { items : [] T , len : usize , }; }
// 汎用リストデータ構造は、型を渡すことによってインスタンス化できます:
var buffer : [ 10 ] i32 = undefined ; var list = List ( i32 ){ . items = & buffer , . len = 0 , };
参考文献
- ^ Daveed Vandevoorde、エジソン デザイン グループ (2003 年 4 月 18 日)。 「C++ のリフレクティブ メタプログラミング」(PDF) 。2015 年7 月 19 日に取得。
- ^ Gabriel Dos Reis および Bjarne Stroustrup (2010 年 3 月)。「システム プログラミング言語の一般的な定数式。SAC-2010。第 25 回 ACM 応用コンピューティングシンポジウム」(PDF)。
- ^ D 2.0 言語仕様: 関数
- ^ D 2.0 言語仕様: 属性
- ^ Zig 0.11.0 言語リファレンス: コンパイル時式
- ^ Zig 0.11.0 言語リファレンス: コンパイル時パラメータ
外部リンク
- さまざまな言語でのコンパイル時関数評価の Rosettacode の例