了解 C++ constexpr 性能

如何解决了解 C++ constexpr 性能

我最近使用 constexpr 函数和 C++17 编写了一个编译时光线跟踪器。完整的源代码见here。这个问题的相关代码是这样的：

constexpr auto image = []() {
        StaticImage<image_width,image_height> image;

        Camera camera{Pointf{0.0f,0.0f,500.0f},Vectorf{0.0f},Vectorf{0.0f,1.0f,0.0f},500.0f};

        std::array<Shapes,1> shapes_list{Sphere{Pointf{0.0f},150.0f}};
        std::array<Materials,1> materials_list{DefaultMaterial{}};
        ShapeContainer<decltype(shapes_list)> shapes{std::move(shapes_list)};
        MaterialContainer<decltype(materials_list)> materials{
            std::move(materials_list)};

        SphereScene scene;
        scene.set_camera(camera);

        Renderer::render(scene,image,shapes,materials);
        return image;
    }();

此处显示的每个类（StaticImage、Camera、Shapes、Materials、ShapeContainer、MaterialContainer 和 {{ 1}}) 完全由 SphereScene 函数组成。 constexpr 也是 Renderer::render，负责遍历图像中的每个像素，将光线射入场景，并设置相应的颜色。

使用当前的设置和 512x512 的图像，在发布模式下使用 MSVC 16.9.2，编译器需要大约 35 分钟才能完成生成图像。在此过程中，其内存使用量上升到最终使用近 64GB RAM 的程度。

那么，我的问题是：为什么编译时间和内存使用率这么高？

我的理论是编译时间的部分原因是调用堆栈的复杂性（即大量模板、CRTP 和深度），所以我尝试通过删除几个模板（例如，constexpr 类不再模板化）并设法将编译时间减少到 32 分钟，并将内存使用量减少到 61GB。更好，但仍然很高。问题是我不太明白为什么它这么慢。我确实理解评估所有 Vector 函数是一个非常复杂的过程（因为编译器必须检查 UB、类型推导等），但我没想到它会这么慢。我也对高内存使用率感到困惑。图像数组本身使用不超过 4MB 的内存 (constexpr) 那么额外的内存来自哪里？

解决方法

编译时执行将比运行时执行效率低很多。编译器必须做更多的工作来执行相同的代码。编译时执行的重点是进行在运行时无法进行的计算。有时，为了编译时缓存更简单的计算。

编写一个仅在编译时存在的完整的、重要的应用程序并不是一件很快就能完成的事情。

至于细节，成本增加的主要原因是编译时执行必须检测所有未定义的行为。这意味着许多可能只是偏移指针的事情必须更加复杂。堆栈变量不能只是偏移堆栈指针；他们必须明确跟踪对象的生命周期。等等。

编译时执行基本上是解释型 C++。而且没有太多理由让它成为一个特别快的解释器。大多数编译时操作都处理基于类型和简单值的计算，而不是复杂的数据结构。所以这就是编译器的主要优化目标。

我记得最近有人通过更好的解释来改进 Clang 的 constexpr 执行。但我不知道有多少。