Как управлять компилятором С#, С++ или Java для вычисления 1 + 2 + 3 +... + 1000?

В недавнем интервью мне задали действительно странный вопрос. Интервьюер спросил меня, как я могу вычислить 1 + 2 + 3 +... + 1000, просто используя функции компилятора. Это означает, что мне не разрешено писать программу и выполнять ее, но я должен просто написать программу, которая могла бы заставить компилятор вычислить эту сумму во время компиляции и распечатать результат при завершении компиляции. В качестве подсказки он сказал мне, что я могу использовать генераторы и препроцессорные функции компилятора. Можно использовать компилятор С++, С# или Java. Любые идеи???

Этот вопрос не связан с вычислением суммы без каких-либо циклов здесь. Кроме того, следует отметить, что сумма СЛЕДУЕТ рассчитываться во время компиляции. Печать только результата с использованием директив компилятора С++ неприемлема.

Читая больше о опубликованных ответах, я обнаружил, что решение проблем во время компиляции с использованием шаблонов С++ называется метапрограммированием. Это метод, который случайно был обнаружен д-ром Эрвином Унрухом во время процесса стандартизации языка С++. Вы можете узнать больше об этой теме на странице вики-страницы метапрограммирования. Кажется, что можно написать программу на Java, используя аннотации java. Вы можете посмотреть ниже maress.

Хорошая книга о мета-программировании на С++ - это этот. Стоит взглянуть, если интересно.

Полезной библиотекой мета-программирования С++ является Boost MPL эта ссылка.

Ответ 1

Обновлено Теперь с улучшенной глубиной рекурсии! Работает на MSVC10 и GCC без увеличения глубины.:)

Простая рекурсия времени компиляции + добавление:

template<unsigned Cur, unsigned Goal>
struct adder{
  static unsigned const sub_goal = (Cur + Goal) / 2;
  static unsigned const tmp = adder<Cur, sub_goal>::value;
  static unsigned const value = tmp + adder<sub_goal+1, Goal>::value;
};

template<unsigned Goal>
struct adder<Goal, Goal>{
  static unsigned const value = Goal;
};

Testcode:

template<unsigned Start>
struct sum_from{
  template<unsigned Goal>
  struct to{
    template<unsigned N>
    struct equals;

    typedef equals<adder<Start, Goal>::value> result;
  };
};

int main(){
  sum_from<1>::to<1000>::result();
}

Выход для GCC:

error: объявление 'struct sum_from < 1u > :: to < 1000u > :: equals < 500500u >

Пример Live на Ideone.

Выход для MSVC10:

error C2514: 'sum_from<Start>::to<Goal>::equals<Result>' : class has no constructors
      with
      [
          Start=1,
          Goal=1000,
          Result=500500
      ]

Ответ 2

Пример С# для ошибки во время компиляции.

class Foo
{
    const char Sum = (1000 + 1) * 1000 / 2;
}

Производит следующую ошибку компиляции:

Constant value '500500' cannot be converted to a 'char'

Ответ 3

Я должен просто написать программу, которая могла бы заставить компилятор вычислить эту сумму во время компиляции и распечатать результат при завершении компиляции.

Популярный трюк для печати числа во время компиляции пытается получить доступ к несуществующему члену шаблона, созданного с номером, который вы хотите распечатать:

template<int> struct print_n {};

print_n<1000 * 1001 / 2>::foobar go;

Затем компилятор говорит:

error: 'foobar' in 'struct print_n<500500>' does not name a type

Для более интересного примера этой техники см. Решите проблему восьми ферзей во время компиляции.

Ответ 4

Поскольку ни один компилятор и язык не были указаны в вопросе интервью, я смею представить решение в Haskell с помощью GHC:

{-# LANGUAGE TemplateHaskell #-}
{-# OPTIONS_GHC -ddump-splices #-}
module Main where

main :: IO ()
main = print $(let x = sum [1 :: Int .. 1000] in [| x |])

Скомпилируйте его:

$ ghc compsum.hs
[1 of 1] Compiling Main             ( compsum.hs, compsum.o )
Loading package ghc-prim ... linking ... done.
<snip more "Loading package ..." messages>
Loading package template-haskell ... linking ... done.
compsum.hs:6:16-56: Splicing expression
    let x = sum [1 :: Int .. 1000] in [| x |] ======> 500500
Linking compsum ...

И у нас также есть рабочая программа.

Ответ 5

Жизнь будет намного проще с С++ 11, которая добавляет функции constexpr для вычисления времени компиляции, хотя они только в настоящее время поддерживают gcc 4.6 или новее.

constexpr unsigned sum(unsigned start, unsigned end) {
    return start == end ? start :
        sum(start, (start + end) / 2) +
        sum((start + end) / 2 + 1, end);
}

template <int> struct equals;
equals<sum(1,1000)> x;

Стандарт требует, чтобы компилятор поддерживал глубину рекурсии 512, поэтому ему все равно необходимо избегать глубины рекурсивной рекурсии. Здесь вывод:

$ g++-mp-4.6 --std=c++0x test.cpp -c
test.cpp:8:25: error: aggregate 'equals<500500> x' has incomplete type and cannot be defined

Конечно, вы можете просто использовать формулу:

constexpr unsigned sum(unsigned start, unsigned end) {
    return (start + end) * (end - start + 1) / 2;
}

// static_assert is a C++11 assert, which checks
// at compile time.
static_assert(sum(0,1000) == 500500, "Sum failed for 0 to 1000");

Ответ 6

В java я подумал об использовании обработки аннотаций. Инструмент apt сканирует исходный файл перед фактическим анализом исходного файла на команду javac.

Во время компиляции исходных файлов вывод будет распечатан:

@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD})
public @interface MyInterface {

    int offset() default 0;

    int last() default 100;
}

Процессор factory:

public class MyInterfaceAnnotationProcessorFactory implements AnnotationProcessorFactory {

    public Collection<String> supportedOptions() {
        System.err.println("Called supportedOptions.............................");
        return Collections.EMPTY_LIST;
    }

    public Collection<String> supportedAnnotationTypes() {
        System.err.println("Called supportedAnnotationTypes...........................");
        return Collections.singletonList("practiceproject.MyInterface");
    }

    public AnnotationProcessor getProcessorFor(Set<AnnotationTypeDeclaration> set, AnnotationProcessorEnvironment ape) {
        System.err.println("Called getProcessorFor................");
        if (set.isEmpty()) {
            return AnnotationProcessors.NO_OP;
        }
        return new MyInterfaceAnnotationProcessor(ape);
    }
}

Фактический обработчик аннотации:

public class MyInterfaceAnnotationProcessor implements AnnotationProcessor {

    private AnnotationProcessorEnvironment ape;
    private AnnotationTypeDeclaration atd;

    public MyInterfaceAnnotationProcessor(AnnotationProcessorEnvironment ape) {
        this.ape = ape;
        atd = (AnnotationTypeDeclaration) ape.getTypeDeclaration("practiceproject.MyInterface");
    }

    public void process() {
        Collection<Declaration> decls = ape.getDeclarationsAnnotatedWith(atd);
        for (Declaration dec : decls) {
            processDeclaration(dec);
        }
    }

    private void processDeclaration(Declaration d) {
        Collection<AnnotationMirror> ams = d.getAnnotationMirrors();
        for (AnnotationMirror am : ams) {
            if (am.getAnnotationType().getDeclaration().equals(atd)) {
                Map<AnnotationTypeElementDeclaration, AnnotationValue> values = am.getElementValues();
                int offset = 0;
                int last = 100;
                for (Map.Entry<AnnotationTypeElementDeclaration, AnnotationValue> entry : values.entrySet()) {
                    AnnotationTypeElementDeclaration ated = entry.getKey();
                    AnnotationValue v = entry.getValue();
                    String name = ated.getSimpleName();
                    if (name.equals("offset")) {
                        offset = ((Integer) v.getValue()).intValue();
                    } else if (name.equals("last")) {
                        last = ((Integer) v.getValue()).intValue();
                    }
                }
                //find the sum
                System.err.println("Sum: " + ((last + 1 - offset) / 2) * (2 * offset + (last - offset)));
            }
        }
    }
}

Затем мы создаем исходный файл. простой класс, который использует аннотацию MyInterface:

 @MyInterface(offset = 1, last = 1000)
public class Main {

    @MyInterface
    void doNothing() {
        System.out.println("Doing nothing");
    }

    /**
     * @param args the command line arguments
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO code application logic here
        Main m = new Main();
        m.doNothing();
        MyInterface my = (MyInterface) m.getClass().getAnnotation(MyInterface.class);
        System.out.println("offset: " + my.offset());
        System.out.println("Last: " + my.last());
    }
}

Обработчик аннотации компилируется в файл jar, тогда инструмент apt используется для компиляции исходного файла как:

apt -cp "D:\Variance project\PracticeProject\dist\practiceproject.jar" -factory practiceproject.annotprocess.MyInterfaceAnnotationProcessorFactory "D:\Variance project\PracticeProject2\src\practiceproject2\Main.java"

Результат проекта:

Called supportedAnnotationTypes...........................
Called getProcessorFor................
Sum: 5000
Sum: 500500

Ответ 7

Вот реализация, которая работает под VС++ 2010. Мне пришлось разбивать вычисления на 3 этапа, так как компилятор жаловался, когда шаблоны повторялись 500 раз.

template<int t_startVal, int t_baseVal = 0, int t_result = 0>
struct SumT
{
    enum { result = SumT<t_startVal - 1, t_baseVal, t_baseVal + t_result +
        t_startVal>::result };
};

template<int t_baseVal, int t_result>
struct SumT<0, t_baseVal, t_result>
{
    enum { result = t_result };
};

template<int output_value>
struct Dump
{
    enum { value = output_value };
    int bad_array[0];
};

enum
{
    value1 = SumT<400>::result,                // [1,400]
    value2 = SumT<400, 400, value1>::result,   // [401, 800]
    value3 = SumT<200, 800, value2>::result    // [801, 1000]
};

Dump<value3> dump;

Когда вы скомпилируете это, вы должны увидеть этот вывод из компилятора примерно так:

1>warning C4200: nonstandard extension used : zero-sized array in struct/union
1>          Cannot generate copy-ctor or copy-assignment operator when UDT contains a 
zero-sized array
1>          templatedrivensum.cpp(33) : see reference to class template 
instantiation 'Dump<output_value>' being compiled
1>          with
1>          [
1>              output_value=500500
1>          ]

Ответ 8

Я чувствую себя обязанным давать этот код C, поскольку никто еще не имеет:

#include <stdio.h>
int main() {
   int x = 1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12+13+14+15+16+17+18+19+20+
           21+22+23+24+25+26+27+28+29+30+31+32+33+34+35+36+37+38+39+40+
           41+42+43+44+45+46+47+48+49+50+51+52+53+54+55+56+57+58+59+60+
           61+62+63+64+65+66+67+68+69+70+71+72+73+74+75+76+77+78+79+80+
           81+82+83+84+85+86+87+88+89+90+91+92+93+94+95+96+97+98+99+100+     
           101+102+103+104+105+106+107+108+109+110+111+112+113+114+115+116+117+118+119+120+
           121+122+123+124+125+126+127+128+129+130+131+132+133+134+135+136+137+138+139+140+
           141+142+143+144+145+146+147+148+149+150+151+152+153+154+155+156+157+158+159+160+
           161+162+163+164+165+166+167+168+169+170+171+172+173+174+175+176+177+178+179+180+
           181+182+183+184+185+186+187+188+189+190+191+192+193+194+195+196+197+198+199+200+
           201+202+203+204+205+206+207+208+209+210+211+212+213+214+215+216+217+218+219+220+
           221+222+223+224+225+226+227+228+229+230+231+232+233+234+235+236+237+238+239+240+
           241+242+243+244+245+246+247+248+249+250+251+252+253+254+255+256+257+258+259+260+
           261+262+263+264+265+266+267+268+269+270+271+272+273+274+275+276+277+278+279+280+
           281+282+283+284+285+286+287+288+289+290+291+292+293+294+295+296+297+298+299+300+
           301+302+303+304+305+306+307+308+309+310+311+312+313+314+315+316+317+318+319+320+
           321+322+323+324+325+326+327+328+329+330+331+332+333+334+335+336+337+338+339+340+
           341+342+343+344+345+346+347+348+349+350+351+352+353+354+355+356+357+358+359+360+
           361+362+363+364+365+366+367+368+369+370+371+372+373+374+375+376+377+378+379+380+
           381+382+383+384+385+386+387+388+389+390+391+392+393+394+395+396+397+398+399+400+
           401+402+403+404+405+406+407+408+409+410+411+412+413+414+415+416+417+418+419+420+
           421+422+423+424+425+426+427+428+429+430+431+432+433+434+435+436+437+438+439+440+
           441+442+443+444+445+446+447+448+449+450+451+452+453+454+455+456+457+458+459+460+
           461+462+463+464+465+466+467+468+469+470+471+472+473+474+475+476+477+478+479+480+
           481+482+483+484+485+486+487+488+489+490+491+492+493+494+495+496+497+498+499+500+
           501+502+503+504+505+506+507+508+509+510+511+512+513+514+515+516+517+518+519+520+
           521+522+523+524+525+526+527+528+529+530+531+532+533+534+535+536+537+538+539+540+
           541+542+543+544+545+546+547+548+549+550+551+552+553+554+555+556+557+558+559+560+
           561+562+563+564+565+566+567+568+569+570+571+572+573+574+575+576+577+578+579+580+
           581+582+583+584+585+586+587+588+589+590+591+592+593+594+595+596+597+598+599+600+
           601+602+603+604+605+606+607+608+609+610+611+612+613+614+615+616+617+618+619+620+
           621+622+623+624+625+626+627+628+629+630+631+632+633+634+635+636+637+638+639+640+
           641+642+643+644+645+646+647+648+649+650+651+652+653+654+655+656+657+658+659+660+
           661+662+663+664+665+666+667+668+669+670+671+672+673+674+675+676+677+678+679+680+
           681+682+683+684+685+686+687+688+689+690+691+692+693+694+695+696+697+698+699+700+
           701+702+703+704+705+706+707+708+709+710+711+712+713+714+715+716+717+718+719+720+
           721+722+723+724+725+726+727+728+729+730+731+732+733+734+735+736+737+738+739+740+
           741+742+743+744+745+746+747+748+749+750+751+752+753+754+755+756+757+758+759+760+
           761+762+763+764+765+766+767+768+769+770+771+772+773+774+775+776+777+778+779+780+
           781+782+783+784+785+786+787+788+789+790+791+792+793+794+795+796+797+798+799+800+
           801+802+803+804+805+806+807+808+809+810+811+812+813+814+815+816+817+818+819+820+
           821+822+823+824+825+826+827+828+829+830+831+832+833+834+835+836+837+838+839+840+
           841+842+843+844+845+846+847+848+849+850+851+852+853+854+855+856+857+858+859+860+
           861+862+863+864+865+866+867+868+869+870+871+872+873+874+875+876+877+878+879+880+
           881+882+883+884+885+886+887+888+889+890+891+892+893+894+895+896+897+898+899+900+
           901+902+903+904+905+906+907+908+909+910+911+912+913+914+915+916+917+918+919+920+
           921+922+923+924+925+926+927+928+929+930+931+932+933+934+935+936+937+938+939+940+
           941+942+943+944+945+946+947+948+949+950+951+952+953+954+955+956+957+958+959+960+
           961+962+963+964+965+966+967+968+969+970+971+972+973+974+975+976+977+978+979+980+
           981+982+983+984+985+986+987+988+989+990+991+992+993+994+995+996+997+998+999+1000;
  printf("%d\n", x);
}

И все, что мне нужно сделать, это проверить сборку, чтобы найти мой ответ!

gcc -S compile_sum.c;
grep "\$[0-9]*, *-4" compile_sum.s

И я вижу:

movl    $500500, -4(%rbp)

Ответ 9

Продленный от Carl Walsh ответ, чтобы на самом деле распечатать результат во время компиляции:

#define VALUE (1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12+13+14+15+16+17+18+19+20+\
21+22+23+24+25+26+27+28+29+30+31+32+33+34+35+36+37+38+39+40+\
41+42+43+44+45+46+47+48+49+50+51+52+53+54+55+56+57+58+59+60+\
61+62+63+64+65+66+67+68+69+70+71+72+73+74+75+76+77+78+79+80+\
81+82+83+84+85+86+87+88+89+90+91+92+93+94+95+96+97+98+99+100+\
101+102+103+104+105+106+107+108+109+110+111+112+113+114+115+116+117+118+119+120+\
121+122+123+124+125+126+127+128+129+130+131+132+133+134+135+136+137+138+139+140+\
141+142+143+144+145+146+147+148+149+150+151+152+153+154+155+156+157+158+159+160+\
161+162+163+164+165+166+167+168+169+170+171+172+173+174+175+176+177+178+179+180+\
181+182+183+184+185+186+187+188+189+190+191+192+193+194+195+196+197+198+199+200+\
201+202+203+204+205+206+207+208+209+210+211+212+213+214+215+216+217+218+219+220+\
221+222+223+224+225+226+227+228+229+230+231+232+233+234+235+236+237+238+239+240+\
241+242+243+244+245+246+247+248+249+250+251+252+253+254+255+256+257+258+259+260+\
261+262+263+264+265+266+267+268+269+270+271+272+273+274+275+276+277+278+279+280+\
281+282+283+284+285+286+287+288+289+290+291+292+293+294+295+296+297+298+299+300+\
301+302+303+304+305+306+307+308+309+310+311+312+313+314+315+316+317+318+319+320+\
321+322+323+324+325+326+327+328+329+330+331+332+333+334+335+336+337+338+339+340+\
341+342+343+344+345+346+347+348+349+350+351+352+353+354+355+356+357+358+359+360+\
361+362+363+364+365+366+367+368+369+370+371+372+373+374+375+376+377+378+379+380+\
381+382+383+384+385+386+387+388+389+390+391+392+393+394+395+396+397+398+399+400+\
401+402+403+404+405+406+407+408+409+410+411+412+413+414+415+416+417+418+419+420+\
421+422+423+424+425+426+427+428+429+430+431+432+433+434+435+436+437+438+439+440+\
441+442+443+444+445+446+447+448+449+450+451+452+453+454+455+456+457+458+459+460+\
461+462+463+464+465+466+467+468+469+470+471+472+473+474+475+476+477+478+479+480+\
481+482+483+484+485+486+487+488+489+490+491+492+493+494+495+496+497+498+499+500+\
501+502+503+504+505+506+507+508+509+510+511+512+513+514+515+516+517+518+519+520+\
521+522+523+524+525+526+527+528+529+530+531+532+533+534+535+536+537+538+539+540+\
541+542+543+544+545+546+547+548+549+550+551+552+553+554+555+556+557+558+559+560+\
561+562+563+564+565+566+567+568+569+570+571+572+573+574+575+576+577+578+579+580+\
581+582+583+584+585+586+587+588+589+590+591+592+593+594+595+596+597+598+599+600+\
601+602+603+604+605+606+607+608+609+610+611+612+613+614+615+616+617+618+619+620+\
621+622+623+624+625+626+627+628+629+630+631+632+633+634+635+636+637+638+639+640+\
641+642+643+644+645+646+647+648+649+650+651+652+653+654+655+656+657+658+659+660+\
661+662+663+664+665+666+667+668+669+670+671+672+673+674+675+676+677+678+679+680+\
681+682+683+684+685+686+687+688+689+690+691+692+693+694+695+696+697+698+699+700+\
701+702+703+704+705+706+707+708+709+710+711+712+713+714+715+716+717+718+719+720+\
721+722+723+724+725+726+727+728+729+730+731+732+733+734+735+736+737+738+739+740+\
741+742+743+744+745+746+747+748+749+750+751+752+753+754+755+756+757+758+759+760+\
761+762+763+764+765+766+767+768+769+770+771+772+773+774+775+776+777+778+779+780+\
781+782+783+784+785+786+787+788+789+790+791+792+793+794+795+796+797+798+799+800+\
801+802+803+804+805+806+807+808+809+810+811+812+813+814+815+816+817+818+819+820+\
821+822+823+824+825+826+827+828+829+830+831+832+833+834+835+836+837+838+839+840+\
841+842+843+844+845+846+847+848+849+850+851+852+853+854+855+856+857+858+859+860+\
861+862+863+864+865+866+867+868+869+870+871+872+873+874+875+876+877+878+879+880+\
881+882+883+884+885+886+887+888+889+890+891+892+893+894+895+896+897+898+899+900+\
901+902+903+904+905+906+907+908+909+910+911+912+913+914+915+916+917+918+919+920+\
921+922+923+924+925+926+927+928+929+930+931+932+933+934+935+936+937+938+939+940+\
941+942+943+944+945+946+947+948+949+950+951+952+953+954+955+956+957+958+959+960+\
961+962+963+964+965+966+967+968+969+970+971+972+973+974+975+976+977+978+979+980+\
981+982+983+984+985+986+987+988+989+990+991+992+993+994+995+996+997+998+999+1000)

char tab[VALUE];

int main()
{
    tab = 5;
}

gcc выходы:

test.c: In function 'main':
test.c:56:9: error: incompatible types when assigning to type 'char[500500]' fro
m type 'int'

Ответ 10

Вы можете использовать (и в основном злоупотреблять) макросы/шаблоны С++ для metaprogramming. AFAIK, Java не допускает такого же типа.

Ответ 11

В теории вы можете использовать это:

#include <iostream>

template<int N>
struct Triangle{
  static int getVal()
  {
    return N + Triangle<N-1>::getVal();
  }
};

template<>
struct Triangle<1>{
  static int getVal()
  {
    return 1;
  }
};

int main(){
   std::cout << Triangle<1000>::getVal() << std::endl;
   return 0;
}

(на основе кода, опубликованного Xeo). Но GCC дает мне эту ошибку:

triangle.c++:7: error: template instantiation depth exceeds maximum of 500 (use -ftemplate-depth-NN to increase the maximum) instantiating struct Triangle<500>

плюс огромная псевдо-стоп-трасса.

Ответ 12

Используя java, вы можете сделать что-то похожее на ответ С#:

public class Cheat {
    public static final int x = (1000 *1001/2);
}

javac -Xprint Cheat.java

public class Cheat {

  public Cheat();
  public static final int x = 500500;
}

вы можете сделать это в scala с использованием номеров peano, потому что вы можете заставить компилятор выполнять рекурсию, но я не думаю, что вы можете сделать то же самое в С#/java

другое решение, не использующее -Xprint, но еще более изворотливое

public class Cheat {
  public static final int x = 5/(1000 *1001/2 - 500500);
}

javac -Xlint:all Cheat.java

Cheat.java:2: warning: [divzero] division by zero
  public static final int x = 5/(1000 *1001/2 - 500500);
                            ^
1 warning

без использования каких-либо флагов компилятора. так как вы можете проверить произвольное количество констант (не только 500500), это решение должно быть приемлемым.

public class Cheat {
  public static final short max = (Short.MAX_VALUE - 500500) + 1001*1000/2;
  public static final short overflow = (Short.MAX_VALUE - 500500 + 1) + 1001*1000/2;

}

Cheat.java:3: error: possible loss of precision
  public static final short overflow = (Short.MAX_VALUE - 500500 + 1) + 1001*1000/2;
                                                                  ^
  required: short
  found:    int
1 error

Ответ 13

Хотя это действительно работает с небольшими числами, clang++ возвращает мне ошибку компилятора, если я использую sum_first где N > 400.

#include <iostream>

using namespace std;


template <int N>
struct sum_first
{
   static const int value = N + sum_first<N - 1>::value;
};

template <>
struct sum_first<0>
{
    static const int value = 0;
};

int main()
{
    cout << sum_first<1000>::value << endl;
}