もっと速く、もっと安全に：C++でnoexcept比較演算子を使用してコードを最適化する

2024-07-27

C++ 標準ライブラリの比較演算子 `<` を `noexcept` で宣言する意味について

noexcept とは？

noexcept は C++11 で導入されたキーワードで、関数や式が例外を投げないことを保証するために使用されます。コンパイラはこの情報に基づいて、コードをより効率的に最適化することができます。

なぜ比較演算子を noexcept で宣言するのか？

比較演算子 < を noexcept で宣言すると、以下の利点があります。

コードの効率化: コンパイラは、比較演算子が例外を投げないことを保証されているため、より効率的なコードを生成することができます。
信頼性の向上: 比較演算子が例外を投げないことを保証することで、プログラムの信頼性を向上させることができます。
コンパイルエラーの早期発見: 比較演算子が例外を投げる可能性がある場合、コンパイラはコンパイル時にエラーを検出することができます。

比較演算子を noexcept で宣言する際には、以下の点に注意する必要があります。

比較対象の型が noexcept であること: 比較演算子の両方の引数が noexcept である型である必要があります。そうでない場合は、コンパイラエラーが発生します。
比較演算子の実装が noexcept であること: 比較演算子の実装が例外を投げないことを保証する必要があります。そうでない場合は、プログラム実行時に例外が発生する可能性があります。

例

以下の例は、std::string 型の比較演算子 < を noexcept で宣言する方法を示しています。

template <typename T>
bool operator<(const std::string& lhs, const T& rhs) noexcept {
  // ... 比較演算子の実装 ...
}

この例では、std::string 型の比較演算子が例外を投げないことを保証しています。

C++ 標準ライブラリの比較演算子 < を noexcept で宣言することは、コードの効率化、信頼性の向上、コンパイルエラーの早期発見などの利点があります。ただし、比較対象の型と比較演算子の実装が noexcept であることを保証する必要があります。

#include <string>

template <typename T>
bool operator<(const std::string& lhs, const T& rhs) noexcept {
  // Check if the types are compatible
  if constexpr (std::is_convertible_v<const T&, const std::string&>) {
    // Compare the strings using lexicographical comparison
    return lhs.compare(static_cast<const std::string&>(rhs)) < 0;
  } else {
    // Throw an exception if the types are not compatible
    throw std::invalid_argument("Cannot compare std::string with type " + typeid(T).name());
  }
}

This code defines a template specialization of the < comparison operator for std::string. The noexcept keyword indicates that the operator will not throw any exceptions.

The operator first checks if the types of the two operands are compatible. If the right operand can be converted to an std::string, then the operator compares the two strings using lexicographical comparison. Otherwise, the operator throws an std::invalid_argument exception.

Here is an example of how to use the noexcept comparison operator:

std::string s1 = "Hello";
std::string s2 = "World";

if (s1 < s2) {
  std::cout << s1 << " is less than " << s2 << std::endl;
} else {
  std::cout << s1 << " is not less than " << s2 << std::endl;
}

This code will output the following:

Hello is less than World

C++17 introduced the std::string_view class, which provides a lightweight view of a std::string object. std::string_view objects are more efficient to compare than std::string objects because they do not need to copy the underlying string data.

#include <string_view>

bool operator<(const std::string& lhs, const std::string_view& rhs) noexcept {
  return lhs.compare(rhs) < 0;
}

The operator simply calls the compare() member function of the std::string object to compare the two strings. The compare() function takes a std::string_view as its argument and returns a negative number if the left string is less than the right string, 0 if the strings are equal, and a positive number if the left string is greater than the right string.

Using a custom comparison function

You can also define a custom comparison function that takes two std::string objects as its arguments and returns a bool value indicating whether the first string is less than the second string. You can then use this function to compare std::string objects using the std::less algorithm.

bool compare_strings(const std::string& lhs, const std::string& rhs) noexcept {
  return lhs.compare(rhs) < 0;
}

int main() {
  std::string s1 = "Hello";
  std::string s2 = "World";

  if (std::less<std::string>(compare_strings, s1, s2)) {
    std::cout << s1 << " is less than " << s2 << std::endl;
  } else {
    std::cout << s1 << " is not less than " << s2 << std::endl;
  }

  return 0;
}

This code defines a custom comparison function called compare_strings() that takes two std::string objects as its arguments and returns a bool value indicating whether the first string is less than the second string. The function simply calls the compare() member function of the std::string object to compare the two strings.

The main() function then uses the std::less algorithm to compare the two strings using the compare_strings() function. The std::less algorithm takes a comparison function and two objects as its arguments and returns a bool value indicating whether the first object is less than the second object.

Using a lambda expression

You can also use a lambda expression to define a custom comparison function.

#include <algorithm>

int main() {
  std::string s1 = "Hello";
  std::string s2 = "World";

  if (std::less<std::string>([](const std::string& lhs, const std::string& rhs) {
      return lhs.compare(rhs) < 0;
  }, s1, s2)) {
    std::cout << s1 << " is less than " << s2 << std::endl;
  } else {
    std::cout << s1 << " is not less than " << s2 << std::endl;
  }

  return 0;
}

The main() function then uses the std::less algorithm to compare the two strings using the lambda expression.

Which approach is best?

The best approach for defining the < comparison operator for the std::string class depends on your specific needs. If you need to compare std::string objects frequently, then using the std::string_view approach is the most efficient. If you need to use a custom comparison function, then you can use either the custom function approach or the lambda expression approach.

c++ std comparator