C++20 のコンセプトと制約

C++20 のコンセプトにより、テンプレート宣言のインターフェイスでコンパイラーが検証できる要件を記述できます。制約付き候補は、関連する制約が満たされた場合にだけオーバーロード解決へ参加します。そのため制約は、多くの std::enable_if SFINAE の用途を、意図した操作集合を公開する宣言に置き換えます。ただし API が文書化した意味上の要件を証明するものではありません。

制約を宣言する #

コンセプトは名前空間スコープの変数のようなテンプレートであり、定義は bool の定数式です。

cpp

#include <concepts>

template <class T>
concept Addable = requires(T value) {
    { value + value } -> std::convertible_to<T>;
};

コンセプトは requires 節、制約付きテンプレートパラメーター、短縮関数テンプレートで適用できます。

cpp

template <class T>
    requires Addable<T>
T sum(T left, T right) {
    return left + right;
}

std::integral auto increment(std::integral auto value) {
    return value + 1;
}

各 std::integral auto は別個のテンプレートパラメーターを導入します。2 つの引数が同じ推論型でなければならない場合は明示的なパラメーターを使います。宣言子の後に制約を置く場合、末尾の requires 節が便利です。クラステンプレートのメンバーにも使用できます。

cpp

template <class T>
struct Buffer {
    void compact() requires std::movable<T>;
};

requires 節はテンプレートでない自由関数には記述できません。複数の宣言位置の制約は && で結合されます。置換が前提条件に依存する要件より前に、その前提条件を置きます。

requires 式と意味上の要件 #

requires 式はオペランドを評価せずに要件を確認します。単純要件、型要件、複合要件、ネストした要件をサポートします。

cpp

#include <concepts>
#include <iterator>

template <class T>
concept SortableRange = requires(T range) {
    typename T::value_type;                         // type
    { range.begin() } -> std::input_or_output_iterator; // compound
    range.end();                                    // simple
    requires std::movable<typename T::value_type>;  // nested
};

置換後に無効な要件があると、呼び出し箇所で診断を出すのではなく、依存する制約が満たされない状態になります。あらゆる置換で無効な要件は、診断不要の不適格形式です。

充足は構文上のものです。型は等価性の式要件を満たしながら、std::equality_comparable が期待する同値関係に違反することがあります。swap をコンパイル可能にしながら、指定された計算量や事後条件に違反する型もあります。コンパイラーはこれらを確立できないため、意味上の要件を文書化してテストします。

`enable_if` から移行する #

コンセプトが利用できるという理由だけでオーバーロード集合を広げず、既存の選択ポリシーを移行します。

cpp

// Before C++20.
template <class T, std::enable_if_t<std::integral<T>, int> = 0>
T twice(T value) { return value + value; }

// C++20, with the same intended eligibility.
template <std::integral T>
T twice(T value) { return value + value; }

制約は候補の有効性を選択しますが、選択された関数本体のエラーを置換失敗には変えません。 enable_if を置き換える際は、除外ケース、変換、順序付けテストを保持します。特に古いオーバーロードがデフォルトテンプレートパラメーターや戻り値型 SFINAE を使っていた場合は注意します。

順序付けと包含 #

複数の制約付きオーバーロードが満たされる場合、言語は制約の包含を使って、より制約された候補を選びます。包含は構造的なもので、任意のブール同値ではなく正規化された原子制約に基づきます。共有する述語に名前を付けて組み合わせます。

cpp

template <class T>
concept Range = requires(T value) { value.begin(); value.end(); };

template <class T>
concept SizedRange = Range<T> && requires(T value) { value.size(); };

template <Range T>
void inspect(const T&);

template <SizedRange T>
void inspect(const T&); // selected when both are satisfied

たまたま同じ意味になる式を繰り返すと、異なる原子制約が作成され、オーバーロードが曖昧になる可能性があります。名前付きコンセプトは、順序付け規則に必要な原子制約の同一性を保持します。

転送参照とカスタマイズポイント #

T が推論される T&& では、lvalue 引数に対して T は lvalue 参照型として推論されます。契約が基底オブジェクトに関係する場合は、std::remove_cvref_t<T> に制約を付けます。

cpp

#include <ranges>
#include <type_traits>

template <class R>
    requires std::ranges::range<std::remove_cvref_t<R>>
void consume(R&& range);

参照修飾が意図されている場合にだけ R に直接制約を付けます。この区別により、オブジェクト型向けに書かれたコンセプトだけを理由に lvalue が拒否されることを防げます。

カスタマイズポイントオブジェクト（CPO）は通常、制約付き呼び出し演算子が定義されたカスタマイズプロトコルを実装する inline constexpr 関数オブジェクトです。たとえば std::ranges::begin は、配列、適切なメンバー begin、または引数依存ルックアップで見つかる非修飾 begin からイテレーターを取得できます。CPO 境界でサポートするプロトコルを制約に記述し、サポートされない型が選択されたカスタマイズの深部ではなく、そのインターフェイスで失敗するようにします。