【超解説】C++ std::conditional：型推論の極意をマスターして、スマートなテンプレーティングを実現！

C++におけるstd::conditionalの両分岐定義必要性

この理由は、C++テンプレートのコンパイル時型推論メカニズムに由来します。コンパイラは、テンプレートインスタンス化時に、テンプレートパラメータの型を推論します。この推論プロセスにおいて、std::conditionalのようなテンプレート関数の場合、両方の分岐型情報が必要となります。

もし片方の分岐型が定義されていない場合、コンパイラはテンプレートパラメータの型を推論できず、コンパイルエラーが発生します。これは、テンプレートの型推論メカニズムが、テンプレートパラメータの型を決定するために、すべての分岐の情報を必要とするためです。

以下に、std::conditionalの両分岐定義が必要な理由をより具体的に説明します。

1. テンプレートパラメータの型推論: コンパイラは、テンプレートインスタンス化時に、テンプレートパラメータの型を推論します。この推論プロセスにおいて、std::conditionalのようなテンプレート関数の場合、両方の分岐型情報が必要となります。もし片方の分岐型が定義されていない場合、コンパイラはテンプレートパラメータの型を推論できず、コンパイルエラーが発生します。
2. コンパイル時チェック: std::conditionalは、テンプレートパラメータCondの真偽値に基づいて、T型とF型のどちらかを選択するテンプレートです。この選択は、コンパイル時に行われます。コンパイラは、テンプレートインスタンス化時に、Condの真偽値を評価し、それに基づいてT型とF型のどちらを選択するかを決定します。もし片方の分岐型が定義されていない場合、コンパイラはCondの真偽値を評価できず、コンパイルエラーが発生します。

上記の理由から、std::conditionalを使用するには、たとえ使用しない場合であっても、両方の分岐であるT型とF型を定義する必要があります。これは、C++テンプレートのコンパイル時型推論メカニズムの制限によるものです。

例

#include <type_traits>

template <bool Cond, typename T, typename F>
struct conditional {
  using type = std::conditional_t<Cond, T, F>;
};

int main() {
  // `std::conditional<true, int, double>`は有効
  std::conditional<true, int, double>::type x = 10;

  // `std::conditional<false, int, double>`は有効
  std::conditional<false, int, double>::type y = 3.14;

  // `std::conditional<true, int, void>`はコンパイルエラー
  // std::conditional<false, int, void>::type z; // エラー

  return 0;
}

上記の例では、std::conditionalを使用して、条件に応じてint型とdouble型のどちらかの型を返しています。std::conditional<true, int, double>は有効ですが、std::conditional<true, int, void>はコンパイルエラーとなります。これは、void型は代入できないためです。

#include <iostream>
#include <type_traits>

template <bool Cond, typename T, typename F>
struct conditional {
  using type = std::conditional_t<Cond, T, F>;
};

int main() {
  bool isPositive = true;
  int x = 10;
  double y = 3.14;

  // 条件に応じて、x または y を z に代入する
  auto z = std::conditional<isPositive, int, double>::type{x, y};

  std::cout << "z = " << z << std::endl;

  return 0;
}

このコードは以下の通り動作します。

1. isPositive変数にtrueを代入します。
2. x変数に10、y変数に3.14を代入します。
3. std::conditionalを使用して、isPositiveがtrueであるため、xの値をz変数に代入します。
4. z変数の値をコンソールに出力します。

この例では、std::conditionalを使用して、条件に応じてint型とdouble型のどちらかの値を代入しています。しかし、std::conditionalは、さまざまな型で使用できます。例えば、std::string型やstd::vector型などの型で使用することもできます。

以下のコードは、std::conditionalを使用して、条件に応じてポインタを初期化する例です。

#include <iostream>
#include <type_traits>

int main() {
  bool isEven = true;
  int* evenPtr = nullptr;
  int* oddPtr = nullptr;

  // 条件に応じて、evenPtr または oddPtr を ptr に代入する
  int* ptr = std::conditional<isEven, int*, int*>::type{evenPtr, oddPtr};

  if (ptr != nullptr) {
    *ptr = 10;
    std::cout << "*ptr = " << *ptr << std::endl;
  }

  return 0;
}

1. evenPtr変数とoddPtr変数にnullptrを代入します。
2. ptrがnullptrではない場合、*ptrに10を代入し、その値をコンソールに出力します。

テンプレート特化は、テンプレートパラメータの値に応じて、テンプレートの異なる定義を提供する手法です。std::conditionalの代替手段として、テンプレート特化を使用することができます。

template <bool Cond>
struct Conditional {
  template <>
  struct Impl<true> {
    using type = T;
  };

  template <>
  struct Impl<false> {
    using type = F;
  };

  using type = Impl<Cond>::type;
};

この例では、Conditionalテンプレートは、Condテンプレートパラメータの真偽値に応じて、T型とF型のどちらかの型を選択します。これは、std::conditionalとほぼ同じ動作ですが、テンプレート特化の方がコードがより明確で読みやすくなります。

利点:

• コードがより明確で読みやすい
• コンパイラによる最適化がしやすい

欠点:

• std::conditionalよりも冗長になる場合がある

三項演算子

三項演算子は、条件式に基づいて3つの値を評価する演算子です。std::conditionalの代替手段として、三項演算子を使用することができます。

auto z = isPositive ? x : y;

この例では、三項演算子を使用して、isPositiveがtrueである場合にxを、falseである場合にyをzに代入しています。これは、std::conditionalよりも簡潔な書き方ですが、テンプレートパラメータを使用できないという欠点があります。

• コードが簡潔
• テンプレートパラメータを使用する必要がない

• 型推論がサポートされない

std::enable_ifやstd::void_tなどのテンプレートを使用して、std::conditionalと同等の機能を実現することもできます。これらのテンプレートは、より高度な機能を提供しますが、std::conditionalよりも複雑で理解しにくい場合があります。

• より高度な機能を提供する

• 複雑で理解しにくい

以下に、各方法の要約と、それぞれを選択する際の推奨事項を示します。