C++/標準ライブラリ/メタプログラミングライブラリ

メモリ管理ライブラリ

C++
メタプログラミングライブラリ

一般ユーティリティライブラリ

この節では、C++ のメタプログラミング機能について説明します。これらの機能は、コンパイル時にプログラムを生成または修正することを可能にし、以下の表にまとめられています。

ヘッダー一覧

この章で扱うヘッダーファイルは以下の通りです。

整数シーケンス: <utility>
型特性: <type_traits>
有理数演算: <ratio>

整数シーケンス

コンパイル時整数シーケンスについて解説します。

integer_sequenceクラステンプレート

整数シーケンスを表現するクラステンプレート
value_typeは整数型のTを要素として持つ
size()は要素数を返す

make_integer_sequenceエイリアステンプレート

integer_sequenceの別名を提供
N個の要素を持つinteger_sequenceの特殊化を表す

integer_sequenceは、コンパイル時に決まる整数の列を表現するためのユーティリティです。テンプレート実引数演算を使って、コンパイル時にシーケンスを生成・操作できます。

例えば以下のようにして利用できます:

#include <cstddef>
#include <iostream>
#include <utility>

template <std::size_t... Ints>
void print_sequence(std::integer_sequence<std::size_t, Ints...> /*unused*/) {
    // パック展開を使ってシーケンス内の各要素を出力
    ((std::cout << Ints << " "), ...);
}

auto main() -> int {
    print_sequence(std::make_integer_sequence<std::size_t, 5>());  // 0 1 2 3 4
    return 0;
}

この例では、make_integer_sequenceを使って0から4までの整数のシーケンスを生成し、print_sequenceに渡しています。print_sequenceの関数テンプレート引数演算でパック展開を行うことで、シーケンス内の各要素を出力できます。

このようにinteger_sequenceは、メタプログラミングにおける整数値の操作に役立ちます。標準ライブラリのアルゴリズムなどでも幅広く使われています。

型特性

ヘッダー <type_traits>は C++11 で導入されたもので、プログラム内で使用される型の特性を検査し、操作するための仕組みを提供します。従来の型チェックとは異なり、type_traits ヘッダーはコンパイル時に型に関する情報を取得し、テンプレートコードの汎用性向上、最適化、型関連のエラー検出、コンパイル時の型推論と変換などに役立ちます。

ヘッダーファイルの内容

C++

#include <type_traits>

このヘッダーファイルには、以下の主要な型特性テンプレートと型変換テンプレートが定義されています。

型分類特性テンプレート

is_integral: 型が整数型かどうかを検査します。
is_floating_point: 型が浮動小数点型かどうかを検査します。
is_array: 型が配列型かどうかを検査します。
is_pointer: 型がポインタ型かどうかを検査します。
is_void: 型が void 型かどうかを検査します。
is_null_pointer: 型が nullptr 型かどうかを検査します。
is_reference: 型が参照型かどうかを検査します。
is_lvalue_reference: 型が左辺値参照型かどうかを検査します。
is_rvalue_reference: 型が右辺値参照型かどうかを検査します。
is_same: 二つの型が同じかどうかを検査します。
is_convertible: ある型が別の型に変換可能かどうかを検査します。

型特性検査テンプレート

is_const: 型が const 修飾されているかどうかを検査します。
is_volatile: 型が volatile 修飾されているかどうかを検査します。
is_unsigned: 型が符号なし型かどうかを検査します。
is_signed: 型が符号付き型かどうかを検査します.
is_fundamental: 型が基底型かどうかを検査します。
is_compound: 型が複合型かどうかを検査します。
is_abstract: 型が抽象型かどうかを検査します.
is_polymorphic: 型が多態型かどうかを検査します.
is_class: 型がクラス型かどうかを検査します.
is_union: 型がユニオン型かどうかを検査します.
is_enum: 型が列挙型かどうかを検査します.
is_struct: 型が構造体型かどうかを検査します.

型変換テンプレート

remove_const: 型から const 修飾を取り除きます。
add_const: 型に const 修飾を追加します。
remove_volatile: 型から volatile 修飾を取り除きます。
add_volatile: 型に volatile 修飾を追加します。
remove_cv: 型から const と volatile 修飾を取り除きます。
add_cv: 型に const と volatile 修飾を追加します。
remove_reference: 型から参照修飾を取り除きます。
add_reference: 型に参照修飾を追加します。
decay: ポインタ型から指される型を取得します。
underlying_type: 型の基底型を取得します。
make_signed: 型を符号付き型に変換します。
make_unsigned: 型を符号なし型に変換します.
aligned_storage: 指定された配置要件を満たす型のストレージ型を取得します.
aligned_pointer: 指定された配置要件を満たすポインタ型を取得します.

例

C++

#include <type_traits>

template <typename T>
void is_integral_test() {
    static_assert(std::is_integral_v<T>, "T must be an integral type");
    // ...
}

auto main() -> int {
    is_integral_test<int>();    // Ok
    is_integral_test<char>();   // Ok
    is_integral_test<float>();  // NG (float は整数型ではない)
    return 0;
}

この例では、std::is_integral テンプレートを使用して、T 型が整数型かどうかを検査しています。static_assert マクロはコンパイル時に条件を検証し、条件が偽の場合はコンパイルエラーを出力します。

有理数演算

コンパイル時有理数計算 (ratio)

このセクションでは、C++ 標準ライブラリが提供するコンパイル時有理数計算 (ratio) について説明します。

概要 (ratio.general)

ratio ライブラリは、ratio というクラステンプレートを提供します。
このテンプレートは、分子と分母がコンパイル時に定数として表現可能な intmax_t 型の有限な有理数を正確に表します。
コンパイル時有理数計算を通して、テンプレートパラメータ名は、型要件を表すために使用されます。

ヘッダーの概要 (ratio.syn)

C++

// すべてフリーのネームスペース std において
 
// 省略 (ratio クラステンプレート以降の宣言)

クラステンプレート ratio (ratio.ratio)

C++

namespace std {
   template class ratio {
   public:
     static constexpr intmax_t num;  // 分子
     static constexpr intmax_t den;  // 分母
     using type = ratio;
   };
 }

テンプレート引数 D が 0 だったり、テンプレート引数 N と D の絶対値のいずれかが intmax_t 型で表現できない場合、プログラムは不正となります。

比の演算 (ratio.arithmetic)

ratio_add, ratio_subtract, ratio_multiply, ratio_divide というエイリアステンプレートは、2つの比 R1 と R2 の算術演算の結果を表します。
算術オーバーフローが発生しなければ X と Y が計算されると、各エイリアスは U を ratio::num と等しく、V を ratio::den と等しくするような比を表します。
U または V を intmax_t で表現できない場合、プログラムは不正となります。

比の比較 (ratio.comparison)

ratio_equal, ratio_not_equal, ratio_less, ratio_less_equal, ratio_greater, ratio_greater_equal というテンプレート構造体は、2 つの比の関係を表します。

SI 接頭辞 (ratio.si)

C++ 標準ライブラリは、以下の SI 接頭辞に対応する typedef を定義しています。

yocto
zepto
zetta
yotta

ただし、定数が intmax_t 型で表現できない場合は、typedef は定義されません。

メモリ管理ライブラリ

C++
メタプログラミングライブラリ

一般ユーティリティライブラリ