使用avr-g++ 5.4.0编译C++17代码时if constexpr报错的原因排查

问题背景 #

我在编写的类方法中定义了如下FixedPointFraction结构体：

template <typename T = int_fast16_t, uint8_t Bits = sizeof(T) * 8 - 2>
struct FixedPointFraction {
  using value_type = T;
  constexpr static uint8_t kFractionBits = Bits;

  // ...

  template <typename U, uint8_t UBits = sizeof(U) * 2 - 2>
  FixedPointFraction<U, UBits> Convert() const {
    using Target = FixedPointFraction<U, UBits>;
    static constexpr int kShift = Target::kFractionBits - kFractionBits;
    // Fails to compile `if constexpr` below:
    if constexpr (kShift > 0) {
      return Target(static_cast<U>(fraction_bits << kShift));
    } else if (kShift < 0) {
      return Target{fraction_bits >> kShift};
    } else {
      return Target{fraction_bits};
    }
  }

  // ...
};

使用avr-g++ (GCC) 5.4.0编译时失败，编译命令：

avr-g++ -g -DF_CPU=3'333'333L   -std=c++17 -DNDEBUG -fdata-sections \
    -ffunction-sections -fno-exceptions -flto=auto -Wall -Os -Werror -Wextra \
    -B build/atpack/gcc/dev/attiny3224 -isystem build/atpack/include \
    -mmcu=attiny3224 -Wa,-ahlmns=build/timer.lst -c -o build/timer.o timer.cc

错误信息：

util.h: In member function ...:
util.h:105:8: error: expected ‘(’ before ‘constexpr’
     if constexpr (kShift > 0) {
        ^

avr-g++版本信息：

% avr-g++ -v
Using built-in specs.
Reading specs from /usr/lib/gcc/avr/5.4.0/device-specs/specs-avr2
COLLECT_GCC=avr-g++
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/avr/5.4.0/lto-wrapper
Target: avr
Configured with: ../gcc/configure -v --enable-languages=c,c++ --prefix=/usr/lib --infodir=/usr/share/info --mandir=/usr/share/man --bindir=/usr/bin --libexecdir=/usr/lib --libdir=/usr/lib --enable-shared --with-system-zlib --enable-long-long --enable-nls --without-included-gettext --disable-libssp --build=aarch64-linux-gnu --host=aarch64-linux-gnu --target=avr CFLAGS='-g -O2 -fdebug-prefix-map=/build/gcc-avr-mRLtUO/gcc-avr-5.4.0+Atmel3.6.2=. -fstack-protector-strong -Wformat ' CPPFLAGS='-Wdate-time -D_FORTIFY_SOURCE=2' CXXFLAGS='-g -O2 -fdebug-prefix-map=/build/gcc-avr-mRLtUO/gcc-avr-5.4.0+Atmel3.6.2=. -fstack-protector-strong -Wformat ' FCFLAGS='-g -O2 -fdebug-prefix-map=/build/gcc-avr-mRLtUO/gcc-avr-5.4.0+Atmel3.6.2=. -fstack-protector-strong' FFLAGS='-g -O2 -fdebug-prefix-map=/build/gcc-avr-mRLtUO/gcc-avr-5.4.0+Atmel3.6.2=. -fstack-protector-strong' GCJFLAGS='-g -O2 -fdebug-prefix-map=/build/gcc-avr-mRLtUO/gcc-avr-5.4.0+Atmel3.6.2=. -fstack-protector-strong' LDFLAGS=-Wl,-z,relro OBJCFLAGS='-g -O2 -fdebug-prefix-map=/build/gcc-avr-mRLtUO/gcc-avr-5.4.0+Atmel3.6.2=. -fstack-protector-strong -Wformat ' OBJCXXFLAGS='-g -O2 -fdebug-prefix-map=/build/gcc-avr-mRLtUO/gcc-avr-5.4.0+Atmel3.6.2=. -fstack-protector-strong -Wformat '
Thread model: single
gcc version 5.4.0 (GCC)

原因分析 #

你的代码本身没有问题，编译失败是avr-g++ 5.4.0对C++17的支持不完整导致的：

• if constexpr是C17引入的核心编译期分支特性，但GCC主分支直到7.x版本才完整实现该特性，5.x版本仅支持非常有限的C17预览特性。
• avr平台的GCC版本更新滞后，5.4.0版本完全没有实现if constexpr，编译器无法识别该语法，因此抛出语法错误。

解决方案 #

方案1：升级avr-g++版本 #

将avr-g升级到7.0及以上版本（推荐使用官方提供的最新avr-gcc工具链），新版本的avr-g对C++17特性的支持更完善，能够正确编译if constexpr代码。

方案2：替换if constexpr为C11/C14兼容的编译期分支 #

如果无法升级编译器，可以用编译期常量表达式判断替代if constexpr，实现同样的逻辑：

template <typename T = int_fast16_t, uint8_t Bits = sizeof(T) * 8 - 2>
struct FixedPointFraction {
  using value_type = T;
  constexpr static uint8_t kFractionBits = Bits;
  T fraction_bits; // 假设结构体包含该成员变量

  // ...

  template <typename U, uint8_t UBits = sizeof(U) * 2 - 2>
  FixedPointFraction<U, UBits> Convert() const {
    using Target = FixedPointFraction<U, UBits>;
    constexpr int kShift = Target::kFractionBits - kFractionBits;
    
    return Target{static_cast<U>(
      kShift == 0 ? fraction_bits :
      kShift > 0 ? (fraction_bits << kShift) :
      (fraction_bits >> (-kShift))
    )};
  }

  // ...
};

avr-g++ 5.4.0支持C++11的常量表达式规则，编译器会在编译期完成分支判断，生成对应逻辑的代码。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Petr