コンセプト (C++)

コンセプト（英えい: concept）は、プログラミング言語げんごの機能きのう。かつてC++への採用さいようが検討けんとうされていたが、見送みおくられた。ISO/IEC JTC1/SC22/WG21 C++ 標準ひょうじゅん化か委員いいん会かいによるC++0xの策定さくていにおいて2009年ねん前半ぜんはんまで検討けんとうされ、規格きかく書しょのドラフトにも盛もり込こまれていたが、2009年ねん7月がつ13日にちの投票とうひょうで削除さくじょされることが決きまった。

背景はいけい

C++では、テンプレートクラス・関数かんすうは引数ひきすうとする型かたに必然ひつぜん的てきに何なんらかの制限せいげんを課かす。例たとえば、STLコンテナは格納かくのうする型かたにデフォルトコンストラクタを要求ようきゅうする。Foo&型かたのオブジェクトを受うける関数かんすうにはFooのあらゆるサブタイプを渡わたせる、というようなクラス階層かいそうによって提供ていきょうされる動的どうてきな多た態たいとは違ちがい、テンプレート引数ひきすうには、テンプレートが使つかう演算えんざんをサポートするクラスならば何なんでも渡わたすことが出来できる。しかし、通常つうじょうの関数かんすうの場合ばあいは引数ひきすうに対たいする要求ようきゅうは明確めいかくである（先さきの例れいなら、Fooのサブタイプであること）が、テンプレートの場合ばあいは、オブジェクトが持もたなければならないインターフェースはテンプレート定義ていぎの中なかに隠かくれてしまっている。コンセプトはテンプレート引数ひきすうが持もたなくてはならないインターフェースを明文化めいぶんかする機構きこうを提供ていきょうする。

コンセプトを導入どうにゅうする理由りゆうの一ひとつは、エラーメッセージの質しつの改善かいぜんである。テンプレートが必要ひつようとするインターフェースを持もっていない型かたをプログラマが使つかおうとした場合ばあい、コンパイラはエラーを出だす。しかし、その種たねのエラーは理解りかいしがたいものになりやすく、特とくに初心者しょしんしゃには非常ひじょうに難解なんかいである。この理由りゆうとしては、エラーメッセージにテンプレート引数ひきすうが省略しょうりゃくされずに表示ひょうじされ、非常ひじょうに長ながいエラーメッセージが出力しゅつりょくされてしまうことが多おおいことが挙あげられる。コンパイラによっては、単純たんじゅんなミスが数すうキロバイトものエラーメッセージを出だす結果けっかになることもある。他たの理由りゆうとして、エラーメッセージがエラーの実際じっさいの理由りゆうを明確めいかくに示しめしていないことがある、ということもある。例たとえば、コピーコンストラクタを持もたないオブジェクトのvectorを構築こうちくしようとした場合ばあい、大抵たいていの場合ばあいのエラーメッセージは「内包ないほうするオブジェクトにコピーコンストラクタを呼よんでしまったvectorクラス」に言及げんきゅうするものになってしまう。熟練じゅくれんしたプログラマでないと、本当ほんとうのエラーが「vectorに渡わたした型かたがvectorの要件ようけんを満みたしきれていないこと」がわからないだろう。

機能きのうの概要がいよう

コンセプトが記載きさいされた最後さいごの規格きかく書しょドラフトである N2914 の記述きじゅつに基もとづいて説明せつめいする。

コンセプトは、名前なまえ付つきの構造こうぞうであり、型かたが提供ていきょうしなければならない機能きのうを指定していする。この点てんは、オブジェクト指向しこうプログラミングで、型かたの行おこなえることの制限せいげんの定義ていぎを基底きていクラスにより行おこなうのに似にている。しかしオブジェクト指向しこうプログラミングとは違ちがい、コンセプトの定義ていぎ自体じたいにはテンプレートに渡わたされる型かたが明示めいじ的てきに関連付かんれんづけられず、テンプレート定義ていぎの側がわで結むすびつけられる:

template<LessThanComparable T>
const T& min(const T &x, const T &y)
{
  return x < y ? x : y;
}

テンプレート型がた引数ひきすうにclassやtypenameを使つかい任意にんいの型かたと指定していするのではなく、前方ぜんぽうで定義ていぎされたコンセプトであるLessThanComparableを使用しようしている。テンプレート関数かんすうminに渡わたされた型かたがコンセプトLessThanComparableを満みたさない場合ばあい、コンパイルエラーとなり、テンプレート実体じったい化かに使つかわれた型かたがLessThanComparableコンセプトに適合てきごうしなかったことが報告ほうこくされる。

より一般いっぱん的てきなコンセプトの使用しようの記法きほうは、以下いかのようになる:

template<typename T> requires LessThanComparable<T>
const T& min(const T &x, const T &y)
{
  return x < y ? x : y;
}

requiresキーワードの後のちには、コンセプト宣言せんげんのリストが続つづく。これにより、複数ふくすうの型かたを使つかうコンセプトを使用しようできる。また、requires !LessThanComparable<T>のように用もちいることも出来でき、あるコンセプトに合致がっちする型かたの使用しようを禁止きんしすることが出来できる。これらの機能きのうは、テンプレートの特殊とくしゅ化かと同様どうようの方法ほうほうで使用しようできる。一般いっぱん的てきなテンプレートを少すくない機能きのうしか使つかわないものとして定義ていぎし、さらに多た機能きのうなコンセプトを用もちいた特殊とくしゅ化かを用意よういすることで、その機能きのうを用もちいて高たかいパフォーマンスや高機能こうきのう性せいを実現じつげんできる。

コンセプトは以下いかのように定義ていぎされる:

auto concept LessThanComparable<typename T>
{
  bool operator<(T, T);
}

この例れいに含ふくまれているキーワードautoは、コンセプトに記述きじゅつされた操作そうさを提供ていきょうするあらゆる型かたがコンセプトを満みたすこととする、ということを示しめすものである。autoキーワードが無ない場合ばあい、コンセプトを満みたす型かたを宣言せんげんするのにコンセプトマップを使つかう必要ひつようがある。

このコンセプトは、「自身じしんと同おなじ型がたの引数ひきすうを二ふたつ取とり、boolを返かえす演算えんざん子こ < を持もつあらゆる型かたはLessThanComparableである」ということを示しめしている。演算えんざん子こは大域たいいき関数かんすうではなく、型かたTのメンバ関数かんすうでなくてはならない。

コンセプトは、複数ふくすうの型かたを含ふくむことも出来できる。例たとえば、二ふたつの型かたをとり、片方かたがたがもう片方かたがたの型かたへと変換へんかんできる、ということを表あらわすコンセプトは:

auto concept Convertible<typename T, typename U>
{
  operator U(const T&);
}

これをテンプレートで使つかうためには、コンセプトの一般いっぱん的てき使用しようの記法きほうを使つかう必要ひつようがある:

template<typename U, typename T> requires Convertible<T, U>
U convert(const T& t)
{
  return t;
}

コンセプトは複ふく合ごうできる。例たとえば、Regularというコンセプトが与あたえられている場合ばあい:

concept InputIterator<typename Iter, typename Value>
{
  require Regular<Iter>;
  Value operator*(const Iter&);
  Iter& operator++(Iter&);
  Iter operator++(Iter&, int);
}

InputIteratorコンセプトに渡わたされたテンプレート引数ひきすうの一ひとつ目めは、Regularコンセプトを満みたすことが確認かくにんされる。

継承けいしょうを行おこなうように、コンセプトも他たのコンセプトから派生はせいできる。そして、クラスの継承けいしょうのように、派生はせいコンセプトも基底きていコンセプトの要件ようけんを満みたす。派生はせいコンセプトは、クラスの派生はせいのように定義ていぎされる:

concept ForwardIterator<typename Iter, typename Value> : InputIterator<Iter, Value>
{
  //ここに他たの要件ようけんを追記ついきする。
}

コンセプトに型名かためい (typename)を結むすび付つけることもできる。これにより、型名かためいが使用しよう可能かのうであることをコンセプトの要件ようけんとして表現ひょうげんできる:

concept InputIterator<typename Iter>
{
  typename value_type;
  typename reference;
  typename pointer;
  typename difference_type;
  require Regular<Iter>;
  require Convertible<reference, value_type>;
  reference operator*(const Iter&); // デリファレンス
  Iter& operator++(Iter&);          // 前ぜん置おけインクリメント
  Iter operator++(Iter&, int);      // 後ご置おけインクリメント
  // ...
}

コンセプトマップ

コンセプトマップは、コンセプトに型かたを明示めいじ的てきに結むすびつけるのに使つかわれる。これにより、型かたが（可能かのうならば）型がた定義ていぎを変かえることなくコンセプトに適合てきごうすることを示しめせる。例れいを挙あげる:

concept_map InputIterator<char*>
{
  typedef char value_type;
  typedef char& reference;
  typedef char* pointer;
  typedef std::ptrdiff_t difference_type;
};

このコンセプトマップは、InputIteratorコンセプトを満みたす型かたとしてchar*型かたを与あたえている。

柔軟じゅうなん性せいを高たかめるため、コンセプトマップ自体じたいをテンプレートに出来できる。以下いかの例れいは、あらゆるポインタ型がたを扱あつかえるように拡張かくちょうしたものである:

template<typename T> concept_map InputIterator<T*>
{
  typedef T value_type;
  typedef T& reference;
  typedef T* pointer;
  typedef std::ptrdiff_t difference_type;
};

さらに、コンセプトマップは、クラスに共通きょうつうに関連付かんれんづけられる関数かんすう定義ていぎなどの構造こうぞうを示しめす、ミニタイプとしても振ふる舞まうことも出来できる:

concept Stack<typename X>
{
  typename value_type;
  void push(X&, const value_type&);
  void pop(X&);
  value_type top(const X&);
  bool empty(const X&);
};

template<typename T> concept_map Stack<std::vector<T> >
{
  typedef T value_type;
  void push(std::vector<T>& v, const T& x) { v.push_back(x); }
  void pop(std::vector<T>& v) { v. pop_back(); }
  T top(const std::vector<T>& v) { return v. back(); }
  bool empty(const std::vector<T>& v) { return v. empty(); }
};

このコンセプトマップは、Stackコンセプトを実装じっそうする型かたを引数ひきすうとするテンプレートが、std::vectorを引数ひきすうに取とれるように定義ていぎしている。std::vectorを使つかえるようにするため、各かく関数かんすう呼よび出だしをstd::vectorの関数かんすうの呼よび出だしに置おき換かえている。これを用もちいれば、究極きゅうきょく的てきには、既すでに存在そんざいするオブジェクトの定義ていぎを変かえることなく、それをテンプレート関数かんすうが使用しようするインターフェースに適合てきごうできる。

静的せいてきな表明ひょうめいを用もちいてコンセプトの各かく要件ようけんを確認かくにんできることもできる。実際じっさいには静的せいてき表明ひょうめいの機能きのうは別べつの問題もんだいに焦点しょうてんを当あてているのであるが、この機能きのうでテンプレートの要ようする要件ようけんを検証けんしょうすることができる。

公理こうり

axiomキーワードを用もちいて、コンセプトを実装じっそうする型かたが満みたすべき性質せいしつを記述きじゅつできる。これはコードの動作どうさには寄与きよせず、コードチェッカやIDEへのヒントとしての利用りようが想定そうていされている。

コンセプトによるチェックからの除外じょがい

late_checkキーワードを用もちいて、部分ぶぶん的てきにコンセプトによるチェックを行おこなわないように出来できる。

暗黙あんもくのコンセプト

いくつかのコンセプトは、ライブラリの使用しようによらずstd名前なまえ空間くうかん内ないに暗黙あんもくに定義ていぎされる。

関連かんれんする機能きのう

コンセプトをベースとした機能きのう、およびコンセプトのライブラリも導入どうにゅうされる予定よていであった。コンセプトの削除さくじょ後ごはコンセプトを使つかわないように修正しゅうせいされている。修正しゅうせい後ごについてはC++0xを参照さんしょう。

範囲はんいベースの for ループ

Boost C++ ライブラリでは、いくつか "範囲はんい" のコンセプトを使用しようしているものがある。範囲はんいは、リストの二に点てんをもってリストを表現ひょうげんするものであり、コンテナにも似にている。順序じゅんじょ付つきのコンテナは範囲はんいコンセプトから見みれば上位じょういにあり、順序じゅんじょ付つきコンテナから二ふたつイテレータを持もってくれば範囲はんいを定義ていぎできる。これらの考かんがえ方かたや、またこれを元もとに動作どうさするアルゴリズムが、C++0x の標準ひょうじゅんライブラリに組くみ込こまれる予定よていである。しかし C++0x では、ライブラリだけではなく、範囲はんいコンセプトを使つかう言語げんご機能きのうももたらされることになる予定よていである。

for 文ぶんでは、範囲はんいの考かんがえ方かたを用もちいて簡単かんたんな反復はんぷくが行おこなえるようになる:

int my_array[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
for (int &x : my_array) {
  x *= 2;
}

新しん形式けいしきの for ループでは、一ひとつ目めの部分ぶぶんで、範囲はんいを反復はんぷくするために使つかう変数へんすうを定義ていぎする。この変数へんすうは、一般いっぱんの for ループで宣言せんげんされる変数へんすう同様どうよう、ループの範囲はんいにのみスコープを持もつ。":" に続つづく二ふたつ目めの部分ぶぶんで、反復はんぷく対象たいしょうの範囲はんいを指定していする。この場合ばあい、C スタイルの配列はいれつを範囲はんいコンセプトに変換へんかんするコンセプトマップがあるので、C 配列はいれつを範囲はんいコンセプトとして渡わたすことが出来できる。この機能きのうは、 std::vector などの範囲はんいコンセプトを満みたすものなら何なににでも適用てきようできる。

コンセプトライブラリ

C++0xにはコンセプトのライブラリが追加ついかされる予定よていであった。

<concepts>

<type_traits>のコンセプト版ばん。HasPlus(+演算えんざん子こが使つかえる)、DefaultConstructible(デフォルトコンストラクタによる構築こうちくが出来できる)などの基本きほん的てきな性質せいしつを表あらわすコンセプトが集あつめられている。

<container_concepts>

STLコンテナを規定きていするコンセプト。

<iterator_concepts>

イテレータを規定きていするコンセプト。

<memory_concepts>

アロケータを規定きていするコンセプト。