C++20 consteval — 즉시 함수(Immediate Function)

개요

consteval은 C++20에서 도입된 즉시 함수(immediate function) 선언 키워드입니다. constexpr 함수는 런타임에도 호출될 수 있지만, consteval 함수는 반드시 컴파일 타임에만 호출됩니다. 런타임 호출 시도는 컴파일 오류가 됩니다.

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1. constexpr vs consteval 비교

#include <cstdint>

// constexpr: 런타임·컴파일 타임 모두 가능
constexpr int square_cx(int x) { return x * x; }

// consteval: 컴파일 타임 전용
consteval int square_ce(int x) { return x * x; }

int main() {
    constexpr int a = square_cx(5);  // OK — 컴파일 타임
    int b = square_cx(5);            // OK — 런타임도 가능

    constexpr int c = square_ce(5);  // OK — 컴파일 타임
    // int d = square_ce(5);         // ERROR: 런타임 호출 불가
}

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2. 기본 활용: 컴파일 타임 테이블 생성

#include <array>
#include <cstddef>

consteval std::array<int, 10> make_squares() {
    std::array<int, 10> arr{};
    for (std::size_t i = 0; i < 10; ++i)
        arr[i] = static_cast<int>(i * i);
    return arr;
}

// 바이너리에 상수 배열이 직접 삽입됨
inline constexpr auto squares = make_squares();

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3. consteval if — 조건부 컴파일 타임 분기

C++23에서 도입된 if consteval을 사용하면 함수 내에서 컴파일 타임 여부를 분기할 수 있습니다.

#include <cmath>

constexpr double my_sqrt(double x) {
    if consteval {
        // 컴파일 타임 경로 (단순 뉴턴법)
        double r = x;
        for (int i = 0; i < 64; ++i)
            r = (r + x / r) / 2.0;
        return r;
    } else {
        // 런타임 경로 (하드웨어 sqrt 사용)
        return std::sqrt(x);
    }
}

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4. 정책 검증에 활용

consteval void validate_buffer_size(std::size_t size) {
    if (size == 0 || (size & (size - 1)) != 0)
        throw "Buffer size must be a non-zero power of 2";
}

template<std::size_t N>
struct Buffer {
    consteval Buffer() { validate_buffer_size(N); }
    int data[N];
};

// Buffer<128> ok;   // OK
// Buffer<100> err;  // 컴파일 오류: "Buffer size must be a non-zero power of 2"

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5. consteval 생성자

struct Color {
    uint8_t r, g, b, a;

    consteval Color(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b, uint8_t a = 255)
        : r(r), g(g), b(b), a(a) {}
};

// 모든 Color 리터럴은 컴파일 타임에 검증됨
constexpr Color red   = Color(255, 0, 0);
constexpr Color white = Color(255, 255, 255);

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6. 주요 제약 사항

항목	내용
런타임 호출	항상 컴파일 오류
가상 함수	consteval virtual 불가
함수 포인터	consteval 함수를 가리키는 함수 포인터 생성 불가
예외 던지기	컴파일 타임 오류 메시지로 활용 가능

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정리

consteval은 컴파일 타임 계산이 반드시 보장되어야 하는 상황에 사용합니다. 상수 테이블 생성, 입력 검증 강제, 설정 값 정책 확인 등에서 constexpr보다 강력한 안전망을 제공합니다.