C++ constexpr 함수 | "컴파일 타임 함수" 가이드

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C++ constexpr 함수 | "컴파일 타임 함수" 가이드

이 글의 핵심

C++ constexpr 함수에 대해 정리한 개발 블로그 글입니다. constexpr int square(int x) { return x * x; }

constexpr 함수란?

컴파일 타임과 런타임 모두 사용 가능한 함수

constexpr int square(int x) {
    return x * x;
}

int main() {
    // 컴파일 타임
    constexpr int a = square(5);  // 25 (컴파일 시 계산)
    
    // 런타임
    int x = 10;
    int b = square(x);  // 런타임 계산
}

C++11 vs C++14 vs C++17

// C++11: 단일 return문만
constexpr int factorial11(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial11(n - 1);
}

// C++14: 일반 함수처럼
constexpr int factorial14(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 2; i <= n; i++) {
        result *= i;
    }
    return result;
}

// C++17: if constexpr 추가
template<typename T>
constexpr auto process(T value) {
    if constexpr (std::is_integral_v<T>) {
        return value * 2;
    } else {
        return value;
    }
}

기본 사용법

// 간단한 계산
constexpr int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

constexpr int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

// 배열 크기로 사용
constexpr int SIZE = add(10, 20);
int arr[SIZE];  // 컴파일 타임 크기

실전 예시

예시 1: 수학 함수

constexpr int fibonacci(int n) {
    if (n <= 1) return n;
    return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}

constexpr int power(int base, int exp) {
    int result = 1;
    for (int i = 0; i < exp; i++) {
        result *= base;
    }
    return result;
}

constexpr bool isPrime(int n) {
    if (n <= 1) return false;
    if (n == 2) return true;
    if (n % 2 == 0) return false;
    
    for (int i = 3; i * i <= n; i += 2) {
        if (n % i == 0) return false;
    }
    return true;
}

int main() {
    constexpr int fib10 = fibonacci(10);  // 55 (컴파일 타임)
    constexpr int pow = power(2, 10);     // 1024
    constexpr bool prime = isPrime(17);   // true
    
    std::cout << fib10 << std::endl;
    std::cout << pow << std::endl;
    std::cout << prime << std::endl;
}

예시 2: 문자열 처리

constexpr size_t strlen_constexpr(const char* str) {
    size_t len = 0;
    while (str[len] != '\0') {
        len++;
    }
    return len;
}

constexpr bool startsWith(const char* str, const char* prefix) {
    while (*prefix != '\0') {
        if (*str != *prefix) {
            return false;
        }
        str++;
        prefix++;
    }
    return true;
}

int main() {
    constexpr size_t len = strlen_constexpr("Hello");  // 5
    constexpr bool starts = startsWith("Hello World", "Hello");  // true
    
    char buffer[len + 1];  // 컴파일 타임 크기
}

예시 3: 해시 함수

constexpr unsigned int hash(const char* str) {
    unsigned int hash = 5381;
    while (*str) {
        hash = ((hash << 5) + hash) + *str;
        str++;
    }
    return hash;
}

int main() {
    // 컴파일 타임 해시
    constexpr unsigned int h1 = hash("apple");
    constexpr unsigned int h2 = hash("banana");
    
    // switch문에 사용
    const char* fruit = "apple";
    switch (hash(fruit)) {
        case hash("apple"):
            std::cout << "사과" << std::endl;
            break;
        case hash("banana"):
            std::cout << "바나나" << std::endl;
            break;
    }
}

예시 4: 배열 초기화

constexpr int generateValue(int index) {
    return index * index;
}

template<size_t N>
constexpr std::array<int, N> generateArray() {
    std::array<int, N> arr{};
    for (size_t i = 0; i < N; i++) {
        arr[i] = generateValue(i);
    }
    return arr;
}

int main() {
    constexpr auto arr = generateArray<10>();
    // arr = {0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81}
    
    for (int x : arr) {
        std::cout << x << " ";
    }
}

constexpr 클래스

class Point {
private:
    int x, y;
    
public:
    constexpr Point(int x, int y) : x(x), y(y) {}
    
    constexpr int getX() const { return x; }
    constexpr int getY() const { return y; }
    
    constexpr int distanceSquared() const {
        return x * x + y * y;
    }
};

int main() {
    constexpr Point p(3, 4);
    constexpr int dist = p.distanceSquared();  // 25
    
    int arr[dist];  // 컴파일 타임 크기
}

자주 발생하는 문제

문제 1: 비constexpr 함수 호출

int nonConstexpr(int x) {
    return x * 2;
}

// ❌ 비constexpr 함수 호출
constexpr int func(int x) {
    return nonConstexpr(x);  // 에러
}

// ✅ constexpr 함수만 호출
constexpr int constexprFunc(int x) {
    return x * 2;
}

constexpr int func(int x) {
    return constexprFunc(x);  // OK
}

문제 2: 정적 변수

// ❌ 정적 변수 (C++11)
constexpr int func() {
    static int count = 0;  // 에러
    return count++;
}

// ✅ C++14부터 허용
constexpr int func14() {
    static int count = 0;  // OK (C++14)
    return count++;
}

문제 3: 가상 함수

class Base {
public:
    // ❌ constexpr 가상 함수 (C++17 이전)
    virtual constexpr int getValue() const {
        return 42;
    }
};

// C++20부터 허용
class Base {
public:
    virtual constexpr int getValue() const {
        return 42;
    }
};

문제 4: 런타임 값

constexpr int square(int x) {
    return x * x;
}

int main() {
    int runtime_value;
    std::cin >> runtime_value;
    
    // ❌ constexpr 변수에 런타임 값
    // constexpr int result = square(runtime_value);  // 에러
    
    // ✅ 일반 변수
    int result = square(runtime_value);  // OK (런타임 계산)
}

constexpr vs const

// const: 런타임 상수
const int x = getValue();  // 런타임 결정

// constexpr: 컴파일 타임 상수
constexpr int y = 42;  // 컴파일 타임 결정

// constexpr 함수
constexpr int square(int x) {
    return x * x;
}

// const 함수
int getValue() const {
    return value;
}

constexpr과 최적화

// 컴파일 타임 계산
constexpr int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

int main() {
    // 컴파일 타임에 계산됨 (런타임 비용 0)
    constexpr int fact10 = factorial(10);
    
    // 어셈블리:
    // mov eax, 3628800  (직접 값 삽입)
}

FAQ

Q1: constexpr 함수는 언제 사용?

A:

  • 컴파일 타임 계산
  • 배열 크기, 템플릿 인자
  • 성능 최적화

Q2: 런타임에도 사용 가능?

A: 네. 인자가 constexpr이 아니면 런타임 실행.

Q3: constexpr vs inline?

A:

  • constexpr: 컴파일 타임 계산
  • inline: 함수 인라인화

Q4: 모든 함수를 constexpr로?

A: 아니요. 가능한 경우만.

Q5: C++11 vs C++14 차이?

A: C++14는 일반 함수처럼 작성 가능.

Q6: constexpr 학습 리소스는?

A:

  • “Effective Modern C++”
  • cppreference.com
  • “C++ Templates”

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