Встраивание рекурсивной функции

Когда я пытаюсь скомпилировать этот код:

#include <iostream>
#include <limits.h>

// End recursive template-expansion of function select below.
template <typename Type>
static inline constexpr Type select(unsigned index)
{ return Type(); }

// Select one of the items passed to it.
// e.g. select(0, a, b, c) = a; select(1, a, b, c) = b; etc.
template <typename Type, typename... Params>
[[gnu::always_inline]]
static inline constexpr Type select(unsigned index, Type value, Params... values)
{ return index == 0 ? value : select<Type>(index - 1, values...); }

template <typename Type>
[[gnu::always_inline]]
static inline constexpr Type reflect_mask_helper_1(Type mask, Type shift, Type value)
{ return ((value & mask) >> shift) | ((value << shift) & mask); }

template <typename Type>
[[gnu::always_inline]]
static inline constexpr Type reflect_mask_helper_0(unsigned i, Type value)
{
  return i == 0
    ? value
    : reflect_mask_helper_0(
        i - 1,
        reflect_mask_helper_1<Type>(
          select(i - 1, 0xaaaaaaaaaaaaaaaa, 0xcccccccccccccccc, 0xf0f0f0f0f0f0f0f0,
                        0xff00ff00ff00ff00, 0xffff0000ffff0000, 0xffffffff00000000),
          1 << (i - 1),
          value));
}

template <typename Type>
[[gnu::flatten]]
static inline constexpr Type reflect_mask(Type value)
{ return reflect_mask_helper_0(__builtin_ctz(sizeof(Type) * CHAR_BIT), value); }

int main(void) {
  for (int i = 0; i < 65536; i++) {
    std::cout << reflect_mask<uint16_t>(i) << std::endl;
  }
}

gcc выдает ошибку, говоря, что функция reflect_mask_helper_0 не может быть встроенной, потому что она рекурсивная. Тем не менее, функция select также рекурсивна, но gcc вставляет ее без жалоб. Что мне здесь не хватает?

(Мне нужно, чтобы он был рекурсивным, поскольку функции constexpr не могут содержать циклы в С++ 11.)

Сообщение об ошибке:

% g++ test.cpp -O3 -march=native -c
test.cpp: In function ‘constexpr Type reflect_mask_helper_0(unsigned int, Type) [with Type = short unsigned int]:
test.cpp:23:30: error: inlining failed in call to always_inline ‘constexpr Type reflect_mask_helper_0(unsigned int, Type) [with Type = short unsigned int]: recursive inlining
   23 | static inline constexpr Type reflect_mask_helper_0(unsigned i, Type value)
      |                              ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
test.cpp:27:28: note: called from here
   27 |     : reflect_mask_helper_0(
      |       ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~^
   28 |         i - 1,
      |         ~~~~~~              
   29 |         reflect_mask_helper_1<Type>(
      |         ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
   30 |           select(i - 1, 0xaaaaaaaaaaaaaaaa, 0xcccccccccccccccc, 0xf0f0f0f0f0f0f0f0,
      |           ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
   31 |                         0xff00ff00ff00ff00, 0xffff0000ffff0000, 0xffffffff00000000),
      |                         ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
   32 |           1 << (i - 1),
      |           ~~~~~~~~~~~~~     
   33 |           value));
      |           ~~~~~~~           
test.cpp: In function ‘int main():
test.cpp:23:30: error: inlining failed in call to always_inline ‘constexpr Type reflect_mask_helper_0(unsigned int, Type) [with Type = short unsigned int]: recursive inlining
   23 | static inline constexpr Type reflect_mask_helper_0(unsigned i, Type value)
      |                              ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
test.cpp:27:28: note: called from here
   27 |     : reflect_mask_helper_0(
      |       ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~^
   28 |         i - 1,
      |         ~~~~~~              
   29 |         reflect_mask_helper_1<Type>(
      |         ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
   30 |           select(i - 1, 0xaaaaaaaaaaaaaaaa, 0xcccccccccccccccc, 0xf0f0f0f0f0f0f0f0,
      |           ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
   31 |                         0xff00ff00ff00ff00, 0xffff0000ffff0000, 0xffffffff00000000),
      |                         ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
   32 |           1 << (i - 1),
      |           ~~~~~~~~~~~~~     
   33 |           value));
      |           ~~~~~~~

Ответы

Ответ 1

Вот решение, которое я нашел, благодаря комментарию grek40s и ответу StoryTellers.

(Что касается моей предыдущей проблемы с неиспользованным экземпляром шаблона функции, оставленным в скомпилированном двоичном файле, я решил ее, скомпилировав исходный код - без атрибутов gnu::always_inline и gnu::flatten - с аргументами -ffunction-sections -fdata-sections -Wl,--gc-sections.)

Теперь reflect_mask_helper_0 находится внутри struct (поскольку C++ не допускает частичной специализации шаблонов функций), а параметр i функции стал параметром Index шаблона struct.

#include <iostream>
#include <limits.h>

// End recursive template-expansion of function select below.
template <typename Type>
static inline constexpr Type select(unsigned index)
{ return Type(); }

// Select one of the items passed to it.
// e.g. select(0, a, b, c) = a; select(1, a, b, c) = b; etc.
template <typename Type, typename... Params>
[[gnu::always_inline]]
static inline constexpr Type select(unsigned index, Type value, Params... values)
{ return index == 0 ? value : select<Type>(index - 1, values...); }

template <typename Type>
[[gnu::always_inline]]
static inline constexpr Type reflect_mask_helper_1(Type mask, Type shift, Type value)
{ return ((value & mask) >> shift) | ((value << shift) & mask); }

template <typename Type, unsigned Index>
struct reflect_mask_helper_0
{
  [[gnu::always_inline]]
  static inline constexpr Type invoke(Type value)
  {
    return reflect_mask_helper_0<Type, Index - 1>::call(
      reflect_mask_helper_1<Type>(
        static_cast<Type>(select(Index - 1,
          0xaaaaaaaaaaaaaaaa, 0xcccccccccccccccc, 0xf0f0f0f0f0f0f0f0,
          0xff00ff00ff00ff00, 0xffff0000ffff0000, 0xffffffff00000000)),
        1 << (Index - 1),
        value));
  }
};

template <typename Type>
struct reflect_mask_helper_0<Type, 0>
{
  [[gnu::always_inline]]
  static inline constexpr Type invoke(Type value) { return value; }
};

template <typename Type>
static inline constexpr Type reflect_mask(Type value)
{ return reflect_mask_helper_0<Type, __builtin_ctz(sizeof(Type) * CHAR_BIT)>::invoke(value); }

int main(void) {
  for (int i = 0; i < 65536; i++) {
    std::cout << reflect_mask<uint16_t>(i) << std::endl;
  }
}

Ответ 2

select на самом деле не вызывает себя. Он появляется в начале полученного списка типов, а затем вызывает другую специализацию select<Type, ...>. Задний пакет параметров отличается. Поскольку эта "рекурсия" по сути является конечным набором вызовов вложенных функций (разных функций), GCC может видеть сквозь него независимо от параметра времени выполнения.

Но reflect_mask_helper_0 вызывает себя, с теми же аргументами шаблона, неопределенно долго. GCC не может сказать, насколько глубокой будет эта рекурсия во время выполнения. Напомним, что функция constexpr все еще является обычной функцией, которая должна вызываться во время выполнения.

Ответ 3

Если вы посмотрите получившийся код сборки, если вы удалите атрибуты always_inline и flatten, вы увидите, что gcc на самом деле все правильно вставляет.

Итак, этот вопрос - вопрос качества. Возможно, в тот момент, когда обрабатывается always_inline, он не может быть встроен (отсюда и сообщение об ошибке), но gcc решает встроить его впоследствии в любом случае.

Кстати, вы можете точно настроить gcc, и с небольшими изменениями в вашем коде gcc может скомпилировать его:

передать --param max-early-inliner-iterations=3 в gcc
удалить атрибут flatten (понятия не имею, почему это важно...)

(Так что, на самом деле, эта проблема не имеет ничего общего с рекурсивными вызовами - с точки зрения компилятора, не имеет значения, является ли функция рекурсивной или нет, она просто следует потоку кода - в определенной степени, конечно. Здесь рекурсивная глубина всего 4, это не так уж сложно для компилятора)