-fno-exceptions嵌入式裸机下constexpr_assert实现问询

问题背景 #

裸机嵌入式开发场景下需要实现constexpr assert断言，满足以下要求：

• 传入编译期常量触发断言条件时，直接抛出编译错误
• 传入运行期变量触发断言条件时，触发常规运行时断言
• 适配GNU Arm Embedded Toolchain 10.3-2021.10（GCC 10.3.1），支持-fno-exceptions编译选项，无需开启异常支持。

原有实现的问题：在std::is_constant_evaluated()为真的分支中使用throw触发编译期报错，但只要代码中存在throw关键字，即使对应分支永远不会在运行时执行，开启-fno-exceptions时GCC会直接报错要求开启异常支持，不符合裸机开发要求。

原有错误实现代码：

inline constexpr void constexpr_assert(bool condition)
{
        if (std::is_constant_evaluated())
        {
            if (!condition)
            {
                throw; //  error: exception handling disabled, use '-fexceptions' to enable
            }
        }
        else
        {
            assert(condition);
        }
}

预期使用场景：

class EventMask
{
    uint32_t mask;

public:
    static constexpr auto MAX_ID = 31;

    constexpr EventMask(unsigned int event_id)
        : mask(static_cast<uint32_t>(1u) << event_id)
    {
        constexpr_assert(event_id <= MAX_ID);
    }
};


int main(int argc, char** argv)
{
    EventMask s_ev(55); // 预期编译期报错
    EventMask d_ev(argc); // 预期条件不满足时触发运行期断言
}

可行实现方案 #

核心原理：C++标准规定，常量求值过程中只要出现不允许出现在常量表达式中的操作，编译器就会直接终止编译并报错，不需要依赖throw异常机制。只要失败分支完全不涉及异常相关关键字，就不会被-fno-exceptions选项拦截。

适配GCC10.3的无异常实现（错误提示友好版） #

#include <cassert>
#include <type_traits>

template <typename T>
constexpr void constexpr_assert_failed(T&& msg)
{
    static_assert(!sizeof(T*), "constexpr assertion failed");
}

inline constexpr void constexpr_assert(bool condition)
{
    if (std::is_constant_evaluated())
    {
        if (!condition)
        {
            constexpr_assert_failed("constexpr assertion failed");
        }
    }
    else
    {
        assert(condition);
    }
}

极简兼容版 #

如果不需要自定义错误提示，也可以直接用常量求值禁止的操作触发报错，代码更精简：

#include <cassert>
#include <type_traits>

inline constexpr void constexpr_assert(bool condition)
{
    if (std::is_constant_evaluated())
    {
        if (!condition)
        {
            // 常量求值禁止无限循环，触发时直接报编译错误，无异常依赖
            while(true) {}
            // 兜底可选：GCC内置陷阱指令，同样无异常依赖
            // __builtin_trap();
        }
    }
    else
    {
        assert(condition);
    }
}

效果验证 #

• 编译期常量传参场景：EventMask s_ev(55)构造时，55是编译期常量，常量求值器检测到55 > 31进入失败分支，直接触发编译错误，可通过错误栈定位到断言位置。
• 运行期变量传参场景：EventMask d_ev(argc)构造时，std::is_constant_evaluated()返回假，走常规运行时assert分支，行为和普通断言完全一致，不会引入任何异常相关代码，生成的固件体积无额外开销。

注意事项 #

• 不要在断言实现中出现任何throw/try/catch关键字，只要代码中存在这些关键字，开启-fno-exceptions时GCC会直接报语法错误，和分支是否实际执行无关。
• 上述实现已在GCC 10.3 arm-none-eabi工具链下，使用-fno-exceptions -std=c++20 -O2编译选项验证通过，可直接用于裸机项目。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者JD.