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.

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
}

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();

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);
    }
}

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"

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);

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

7. 문자열 리터럴 해시

consteval은 문자열 리터럴을 컴파일 타임 정수 ID로 변환하는 데 자주 사용됩니다.

#include <cstdint>

// FNV-1a 해시 — 컴파일 타임 전용
consteval uint32_t operator""_hash(const char* str, std::size_t len)
{
    uint32_t hash = 2166136261u;
    for (std::size_t i = 0; i < len; ++i)
    {
        hash ^= static_cast<uint32_t>(str[i]);
        hash *= 16777619u;
    }
    return hash;
}

// 사용
constexpr uint32_t id_player  = "PlayerCharacter"_hash; // 컴파일 타임 상수
constexpr uint32_t id_monster = "Monster"_hash;

// switch에서 문자열 비교 (런타임에도 상수 비교)
void HandleEvent(uint32_t event_id)
{
    switch (event_id)
    {
        case "PlayerCharacter"_hash: /* ... */ break;
        case "Monster"_hash:         /* ... */ break;
    }
}

8. consteval 함수 내 컴파일 타임 단언

#include <stdexcept>

// consteval 함수에서 throw는 컴파일 오류 메시지로 사용됨
consteval int checked_shift(int value, int bits)
{
    if (bits < 0 || bits >= 32)
        throw std::invalid_argument("shift amount must be 0-31");
    return value << bits;
}

constexpr int a = checked_shift(1, 4);   // OK: 16
// constexpr int b = checked_shift(1, 32); // 컴파일 오류: "shift amount must be 0-31"

9. constexpr / consteval / constinit / const 비교

키워드	적용 대상	평가 시점	런타임 변경	주요 용도
`const`	변수	컴파일 또는 런타임	불가	불변 값
`constexpr` 변수	변수	컴파일 타임	불가	컴파일 타임 상수
`constexpr` 함수	함수	컴파일 또는 런타임	—	양쪽 모두 사용 가능한 함수
`consteval` 함수	함수	반드시 컴파일 타임	—	컴파일 타임 전용 계산·검증
`constinit`	정적 변수	컴파일 타임 초기화	가능	초기화 순서 문제 방지

// 각 키워드의 의도 명확화 예시
const     int a = 42;         // 불변이지만 반드시 컴파일 타임은 아님
constexpr int b = 42;         // 컴파일 타임 상수
constinit int c = 42;         // 컴파일 타임 초기화, 이후 수정 가능
// constinit const int d = 42; // 컴파일 타임 초기화 + 불변

constexpr int double_cx(int x) { return x * 2; }  // 런타임 가능
consteval int double_ce(int x) { return x * 2; }  // 컴파일 타임 전용

10. 자주 하는 실수

// 실수 1: consteval 함수를 함수 포인터로 저장 시도
consteval int compute(int x) { return x * x; }

// auto fp = &compute; // 오류: consteval 함수의 주소를 취할 수 없음

// 실수 2: consteval 함수를 런타임 인자로 호출
void runtime_fn(int x)
{
    // int r = compute(x); // 오류: x는 런타임 값
    constexpr int r = compute(5); // OK: 5는 상수
}

// 실수 3: consteval과 virtual 혼용
struct Base {
    // consteval virtual int foo() = 0; // 오류: consteval은 virtual 불가
    virtual int foo() = 0;
};

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.

선택 기준:

런타임에도 호출될 수 있어야 한다 → constexpr
반드시 컴파일 타임에만 실행돼야 한다 (검증, 테이블 생성) → consteval
정적 변수를 컴파일 타임에 초기화하되 나중에 수정한다 → constinit