if constexprを使うとき、特定条件時にコンパイルを失敗させる #C++

C++は興味深い、でも難しい。タイトルの件について昨日悩み、詳しい人に相談し、解決したので、まとめました。

（2017/05/12追記） 同じ話題について、EzoeRyouさんの解説が出ています→ constexpr ifの落とし穴

注意書き

※ C++はお勉強中（数週間程度しか書いたことのない、本当にビギナーです）なので、用語の使い方や意味の説明について、正確/厳密ではない可能性が高いです。
もしどこか間違っていたらごめんなさい（できることなら、コメント欄などでご指摘いただけると嬉しいです）。

やりたいこと

C++17より導入されるはずのif constexpr文を使うと、テンプレートのインスタンス化時（コンパイル時）に、どの実装を生成するかを簡潔に書けるようになる。

template<class T>
int f() {
    if constexpr (std::is_same<T, int>{}) {
        // Tがintの時の実装
        // ...
    } else if constexpr (std::is_same<T, float>{}) {
        // Tがfloatの時の実装
        // ...
    }
}

ここで、もしTがintorfloatでない時はコンパイルを失敗させたいとする。つまり

Tに渡せる型は任意ではなく限られており、適切な型によってインスタンス化されていなかったなら、コンパイルエラーにしたい
コンパイルエラー時には、適切なエラーメッセージを出せると親切

これらの目標を満たす実装方法を調べた。

あまり良くなさそうな実装

上手くいかない

else節に、常に失敗するstatic_assertを置けば良いのではという発想で実装してみた。
一見するとなんとなく動きそうだが、上手くいかない。

template<class T>
int f() {
    if constexpr (std::is_same<T, int>{}) {
        // ...
    } else if constexpr (std::is_same<T, float>{}) {
        // ...
    } else {
        static_assert(false, "Bad T!!!!");
    }
}

常にコンパイルエラーになってしまう。

動くが、やや冗長

if constexprを書き連ねる前にstatic_assertでガードする。

template<class T>
int f() {
    static_assert(std::is_same<T, int>{} || std::is_same<T, float>{}, "Bad T!!!!")
    if constexpr (std::is_same<T, int>{}) {
        // ...
    } else if constexpr (std::is_same<T, float>{}) {
        // ...
    }
}

この実装は期待通りの振る舞いをしてくれる。

ただしifの条件式がいくつもある場合はstatic_assertが膨れてしまうという問題がある。条件式の記述が実質的に2重になっている点も、DRYという観点から好ましくはない。

本筋っぽい実装

C++エキスパートに教わったやり方。まず次のようなエイリアスを定義しておく。

template <typename T>
constexpr bool false_v = false;

false_vを利用すると、fは次のように書ける。

template<class T>
int f() {
    if constexpr (std::is_same<T, int>{}) {
        // ...
    } else if constexpr (std::is_same<T, float>{}) {
        // ...
    } else {
        static_assert(false_v<T>, "Bad T!!!!");
    }
}

意図的にTをfalse_vに渡すことが重要らしい。

コンパイル例: https://wandbox.org/permlink/u7x2kxBmYN1zmYEE

解釈

上記実装で何が起きているかのおおざっぱな理解。

static_assertの評価タイミング

テンプレート引数に依存しないstatic_assertは、テンプレートのインスタンス化前にチェックされる。つまり static_assert(false) を関数内にそのまま書くのは実質的に

template<class T>
int f() {
    static_assert(false);
}

こう書いてしまっているのと変わらない。もちろん常にstatic_assertで落ちてしまう。

static_assertの評価タイミングを期待通りにするには？

今回の例でいうと、static_assertの評価を、 テンプレートのインスタンス化後まで遅延させる と「そのブロックがインスタンス化された時にのみコンパイルエラーにする」が実現できる。

具体的なやり方としては、fのテンプレート引数Tが決まらないと評価されないような式を、static_assertに入れてやればよい（ので前述の実装になる）。false_vが使いもしないテンプレート引数を取るのは、依存関係を作るという意味がある。

まとめ

if constexpr文はあくまでテンプレートのインスタンス化をコントロールするものであって、ある部分のみコンパイル時に評価する類のものではないらしい。微妙なことをやろうとする場合には若干注意が必要そうだった。

if constexprを使うとき、特定条件時にコンパイルを失敗させる