为什么 consteval/constexpr 和模板元函数之间的编译时间存在如此巨大的差异？

问题描述

我很好奇就编译时评估而言我可以将 gcc 推多远，所以我让它计算 Ackermann 函数，特别是输入值为 4 和 1（任何高于此值的值都是不切实际的） ):

consteval unsigned int A(unsigned int x,unsigned int y)
{
    if(x == 0)
        return y+1;
    else if(y == 0)
        return A(x-1,1);
    else
        return A(x-1,A(x,y-1));
}

unsigned int result = A(4,1);

（我认为递归深度限制在 ~16K，但为了安全起见，我用 -std=c++20 -fconstexpr-depth=100000 -fconstexpr-ops-limit=12800000000 编译了这个）

毫不奇怪，这占用了大量的堆栈空间（实际上，如果使用默认的 8mb 进程堆栈大小运行，它会导致编译器崩溃）并且需要几分钟的时间来计算。然而，它最终会到达那里，所以显然编译器可以处理它。

在那之后，我决定尝试使用模板、元函数和部分特化模式匹配来实现 Ackermann 函数。令人惊讶的是，以下实现只需几秒钟即可评估：

template<unsigned int x,unsigned int y>
struct A {
    static constexpr unsigned int value = A<x-1,A<x,y-1>::value>::value;
};

template<unsigned int y>
struct A<0,y> {
    static constexpr unsigned int value = y+1;
};

template<unsigned int x>
struct A<x,0> {
  static constexpr unsigned int value = A<x-1,1>::value;
};

unsigned int result = A<4,1>::value;

（使用 -ftemplate-depth=17000 编译）

为什么评估时间会有如此巨大的差异？这些本质上不是等价的吗？我想我可以理解 consteval 解决方案需要更多的内存和评估时间，因为在语义上它由一堆函数调用组成，但这并不能解释为什么这个完全相同的（非consteval）函数只在运行时计算花费的时间比元函数版本稍长（未优化编译）。

为什么 consteval 这么慢？我几乎很想得出结论，它正在由 GIMPLE 解释器或类似的东西进行评估。还有，元函数版本怎么能这么快？它实际上并不比优化的机器代码慢多少。

解决方法

在 A 的模板版本中，当一个特定的特化，比如 A<2,3> 被实例化时，编译器会记住这个类型，并且永远不需要再次实例化它。这是因为类型是唯一的，对这个元函数的每次“调用”只是计算一个类型。

consteval 函数版本没有针对此进行优化，因此 A(2,3) 可能会被评估多次，具体取决于控制流，从而导致您观察到的性能差异。没有什么可以阻止编译器“缓存”函数调用的结果，但这些优化可能还没有实现。

c++c++20 consteval templates