常量表达式的数学函数是否在编译时预先计算？

Question

为了方便和连贯，我倾向于使用常量表达式的数学函数（即 log(x)/log(2) 而不是 log(x)/0.3...） 。由于这些函数实际上并不是语言本身的一部分，它们也没有在 math.h 中定义（仅声明），常量函数是否会在编译时预先计算，或者是否会被浪费地计算在运行时？

Answer 1

这取决于编译器和优化标志。正如 @AndrewyT 指出的，GCC 能够通过属性指定哪些函数是常量和纯函数，在这种情况下答案是肯定的，它将内联结果，正如您可以轻松检查的那样：

$ cat constant_call_opt.c 
#include <math.h>

float foo() {
        return log(2);
}

$ gcc -c constant_call_opt.c -S

$ cat constant_call_opt.s 
        .file   "constant_call_opt.c"
        .text
.globl foo
        .type   foo, @function
foo:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        subl    $4, %esp
        movl    $0x3f317218, %eax
        movl    %eax, -4(%ebp)
        flds    -4(%ebp)
        leave
        ret
        .size   foo, .-foo
        .ident  "GCC: (Ubuntu 4.3.3-5ubuntu4) 4.3.3"
        .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

那里没有函数调用，只是加载一个constant (0x3f317218 == 0.69314718246459961 == log(2))

虽然我现在手头没有任何其他编译器可以尝试，但我认为您可以期望在所有主要的 C 编译器中都有相同的行为，因为这是一个微不足道的优化。

Answer 2

有些编译器会在编译时评估它们，但不能保证这种行为（并且这样做也可能会导致问题）。您需要检查您的编译器并查看它的作用。

请注意，在许多系统上，log(2) 可从 中的宏 M_LN2 获得。

Answer 3

这取决于。如果编译器可以像运行时一样进行数学计算，并且执行链接时优化，并且库以某种中间形式保存，那么是的，可以完成。

大多数编译器不会执行所有这些操作。

Answer 4

对于库函数，某些编译器可能将这些函数实现为内在函数，这意味着编译器对这些函数有足够的了解，可以在编译时用常量替换调用。是否会这样做取决于编译器。在实践中，我经常注意到一些编译器不愿意在编译时预先计算浮点表达式，即使它们不涉及任何函数调用。

在一般情况下，通常它们不会也无法在编译时计算，假设编译器对这些函数的了解不够，无法在编译时计算它们。也许它们有一些显着的运行时副作用？

一些编译器可能具有非标准的编译器相关扩展，允许用户向编译器提供有关函数的附加信息，以便编译器可以更好地优化函数调用，甚至确定是否可以用编译器替换给定的调用。时间预先计算。例如，GCC编译器支持这样的函数属性（GCC 特定扩展）为 const 和 pure。如果参数在编译时已知，则理论上可以用编译时预计算来替换对具有 const 属性的函数的调用。虽然我不能说GCC是否真的能做到这一点。

在 C++（即使您的问题被标记为 C）语言中，计划的新功能是 constexpr 声明说明符，它具有类似的目的，并且应该具有您所描述的效果。

Answer 5

它们通常会在运行时进行计算（有关如何内联它们的信息，请参阅其他答案），尽管我不一定会使用“浪费”这个词，除非它们有很多和/或代码被执行了很多次。

不要只输入常量值，而是创建一个 #define 或 const 变量来表达该值的含义（PI、LOG_2 等）并使用它来代替。

例如：

#define LOG_2 0.30102999566

这不会执行任何计算，您可以将值指定为您想要的任何精度，或者可以根据您的环境进行管理（32 位 v 64 位）。

Answer 6

这种情况发生在运行时，因为该函数的代码仅在链接步骤期间可用（在编译步骤之后发生）。

要优化该步骤，请使用在使用之前初始化的全局变量。