使用 constexpr 将 C++ 常量对象放到 rodata 段中
问题
在内存受限条件下，我们希望将一些常量对象放在 text 或 rodata 这种只读段中，而不是 data 或 bss 段，再搭配 XIP 技术来节省内存空间。见一文看懂内存分段。
在 C 语言中实现该效果非常容易，只需将在声明全局变量时加上 const 修饰符，常见的编译器一般会将该变量放置在只读段中。
在 C++ 语言中，GCC 编译器的行为不同，对于声明为 const 的全局非基本类型对象，默认不会将其放在只读段中，这时可以考虑使用 C++ 11 引入的 constexpr 修饰符，实测在新版本的 GCC 中可以实现将常量全局对象放置到只读段中。
constexpr 介绍
constexpr 修饰符是在 C++ 11 标准中引入的，官方规定的含义为 specifies that the value of a variable or function can appear in constant expressions(指定变量或函数的值可以出现在常量表达式中)，用于在编译时计算表达式的值，并在某些情况下将函数标记为在编译时可执行的常量表达式。
将部分无需在运行时执行的运算放到编译时可以在一定程度上提高运行时性能(可能会以编译时间增加作为代价)，所以在性能敏感系统中应尽可能考虑使用 constexpr。
与宏的区别
其与 C 语言中的宏的区别在于其可以理解部分高级语法，比如从 C++14 开始其可以在编译时完成对 if 等条件语句的判断并返回对应分支的结果。可以将 constexpr 理解为加强版的宏，在 C++ 编程中应该尽可能多的使用 constexpr 而不是宏。
1
2
#define MAX_HEIGHT 720 // 宏常量无法指定类型，默认为 int 类型
constexpr unsigned int max_height = 720;
与 const 的区别
const 用于修饰运行时不可变的常量(变量、函数参数、成员函数)，constexpr 用于修饰编译时可确定的常量表达式(变量、函数、成员函数)。所以 constexpr 比 const 更加严格，且更为强大，可以在编译时执行一些计算，使得代码更加灵活。
1
2
3
4
5
6
7
int a = 0; // a是变量
const Student stu("小明", a, 90.6); /* 正确，const仅要求运行时不变，
构造过程可以放在运行时，
可以在构造参数中使用变量 */
constexpr Student stu("小明", a, 90.6); /* 错误，constexpr要求编译时可确定，
构造过程在编译阶段，
不能在构造参数中使用变量 */
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
constexpr int square(int x) {
return x * x;
}
constexpr int factorial(int n) {
// int a = 10; // ERROR in C++11，NO ERROR in C++14
// C++ 11 标准规定三元条件运算符可以在编译时展开
return (n <= 1) ? 1 : n * factorial(n - 1);
}
int main() {
// 修饰基本变量时，const与constexpr作用相同
const int square_result = square(5); // 在编译时计算
const int factorial_result = factorial(5); // 编译时全部展开并计算
}
使用条件
constexpr 函数必须保证在编译时和运行时都能够执行，因此其定义和使用都有一些限制。例如，递归调用必须在编译时展开，循环次数必须在编译时确定等。不过不同的 C++ 标准对于该限制有所不同，比如从 C++14 开始，可以在编译时确定 if 等条件语句甚至可以在函数中包含局部变量和 for 控制流，而在 C++11 中不行。
consteval - 立即函数
在 C++ 20 中引入了 consteval 修饰符用于表示比 constexpr 更严格的限制，也就是只能在编译时执行，且调用都必须（直接或间接）产生编译时常量表达式。
constexpr 变量必须满足以下要求：
- 其类型必须是 LiteralType
- 必须立即初始化（定义即赋值）
- 其初始化的完整表达式（包括所有隐式转换、构造函数调用等），必须是常量表达式（比如构造函数也需要使用 constexpr 修饰，不允许在构造函数调用时使用非常量参数）
同时要保证 GCC 版本 >= 4.7
实例代码
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
protected:
int m_height;
public:
constexpr Person(int height) : m_height(height) {}
constexpr Person() : Person(170) {}
int getHeight() const { return m_height; }
virtual void action1() const = 0;
virtual void action2() const { cout << "Person action2" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
constexpr Student();
constexpr Student(char *name, int age, float score);
public:
void show();
void setscore(float score);
char *getname() const;
int getage() const;
float getscore() const;
void action1() const { cout << "Student action1" << endl; }
public:
char *m_name;
int m_age;
float m_score;
};
class SpecStudent : public Student {
public:
constexpr SpecStudent();
};
constexpr Student::Student(char *name, int age, float score)
: m_name(name), m_age(age), m_score(score), Person(171)
{}
constexpr Student::Student() : Student("name", 10, 12.0) {}
constexpr SpecStudent::SpecStudent() : Student("name2", 15, 14.0) {}
void Student::show()
{
cout << m_name << "的年龄是" << m_age << "，成绩是" << m_score << endl;
}
char *Student::getname() const
{
return m_name;
}
int Student::getage() const
{
return m_age;
}
void Student::setscore(float score)
{
m_score = score;
}
float Student::getscore() const
{
return m_score;
}
constexpr Student stuList[10];
constexpr SpecStudent stu2List[10];
int main()
{
cout << "ptr:" << stuList << endl;
cout << "ptr:" << &stuList[9] << endl;
cout << "ptr:" << stu2List << endl;
cout << "ptr:" << &stu2List[9] << endl;
stuList[0].getname();
int age = 12;
const Student stu("小明", age, 90.6);
// constexpr Student stu("小明", age, 90.6); // error
// stu.show(); //error
cout << stu.getname() << "的年龄是" << stu.getage() << "，成绩是"
<< stu.getscore() << endl;
const Student *pstu = new Student("李磊", 16, 80.5);
// pstu -> show(); //error
cout << pstu->getname() << "的年龄是" << pstu->getage() << "，成绩是"
<< pstu->getscore() << endl;
return 0;
}
输出：
1
2
3
4
5
6
ptr:0x402260
ptr:0x402380
ptr:0x402120
ptr:0x402240
小明的年龄是12，成绩是90.6
李磊的年龄是16，成绩是80.5
map 文件：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
.rodata 0x0000000000402000 0x3b0
*(.rodata .rodata.* .gnu.linkonce.r.*)
.rodata.cst4 0x0000000000402000 0x4 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/8/../../../x86_64-linux-gnu/crt1.o
0x0000000000402000 _IO_stdin_used
.rodata._ZNK6Person7action2Ev.str1.1
0x0000000000402004 0xf /tmp/ccZwN7EM.o
.rodata._ZNK7Student7action1Ev.str1.1
0x0000000000402013 0x10 /tmp/ccZwN7EM.o
.rodata.str1.1
0x0000000000402023 0x38 /tmp/ccZwN7EM.o
*fill* 0x000000000040205b 0x5
.rodata._ZTS6Person
0x0000000000402060 0x8 /tmp/ccZwN7EM.o
0x0000000000402060 typeinfo name for Person
.rodata._ZTI6Person
0x0000000000402068 0x10 /tmp/ccZwN7EM.o
0x0000000000402068 typeinfo for Person
.rodata._ZTS7Student
0x0000000000402078 0x9 /tmp/ccZwN7EM.o
0x0000000000402078 typeinfo name for Student
*fill* 0x0000000000402081 0x7
.rodata._ZTI7Student
0x0000000000402088 0x18 /tmp/ccZwN7EM.o
0x0000000000402088 typeinfo for Student
.rodata._ZTS11SpecStudent
0x00000000004020a0 0xe /tmp/ccZwN7EM.o
0x00000000004020a0 typeinfo name for SpecStudent
*fill* 0x00000000004020ae 0x2
.rodata._ZTI11SpecStudent
0x00000000004020b0 0x18 /tmp/ccZwN7EM.o
0x00000000004020b0 typeinfo for SpecStudent
.rodata._ZTV7Student
0x00000000004020c8 0x20 /tmp/ccZwN7EM.o
0x00000000004020c8 vtable for Student
.rodata._ZTV11SpecStudent
0x00000000004020e8 0x20 /tmp/ccZwN7EM.o
0x00000000004020e8 vtable for SpecStudent
*fill* 0x0000000000402108 0x18
.rodata 0x0000000000402120 0x280 /tmp/ccZwN7EM.o
.rodata.cst8 0x00000000004023a0 0x10 /tmp/ccZwN7EM.o
可以看到打印出的 stuList 的首地址为 0x402040，处于 rodata 段中。
引用
本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权