C++ constexpr表达式编译期浮点除零的编译器行为合规性问询

基础规则说明 #

首先明确C++标准的两个核心规定：

1. 常量表达式（constexpr 表达式）的求值过程中如果出现未定义行为，程序属于 病态格式（ill-formed），编译器必须输出诊断信息，即可直接拒绝编译。
2. 浮点数除以零的行为是否属于未定义，由实现是否支持IEC 60559（IEEE 754）浮点数标准决定：
   • 若实现不支持IEEE 754：浮点数除零属于未定义行为
   • 若实现支持IEEE 754：非零数除以零得到对应符号的无穷大，零除以零得到NaN，行为明确定义

示例代码说明 #

你给出的示例代码如下：

#include <iostream>

int main() {
    double x = 0.;
    // 运行时除零：所有编译器均输出 "-nan"
    std::cout << 0./x << std::endl; 

    // 编译期除零：不同编译器表现不一致
    constexpr double y = 0.;
    std::cout << 0./y << std::endl;
}

附带疑问解答：运行时统一输出 -nan 是主流x86架构下浮点运算单元的默认实现选择，IEEE 754标准并未强制要求零除零得到的NaN的符号位取值，属于实现定义的范畴。

三类编译器行为的标准符合性判定 #

• 1、拒绝编译该程序：符合标准要求。如果编译器实现未选择支持IEEE 754，或者在常量表达式求值阶段将浮点除零判定为未定义行为，就有权直接拒绝编译该程序，MSVC的行为属于这种情况。
• 2、生成与运行时除零一致的计算结果：符合标准要求。如果编译器实现支持IEEE 754，那么编译期除零的求值结果只要符合IEEE 754的定义即可，和运行时结果一致是完全合法的，GCC的行为属于这种情况。
• 3、生成与运行时除零符号位不同的计算结果：符合标准要求。IEEE 754对零除零产生的NaN的符号位没有强制规定，属于实现定义的内容，因此编译期和运行时求值得到的NaN符号不同也是标准允许的，Clang的行为属于这种情况。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Fedor