【C++】テンプレートメタプログラミング Part1：constexpr全部入り

C++ TMP (テンプレートメタプログラミング) シリーズ

Part1 constexpr	Part2 Concepts	Part3 Variadic	Part4 型リスト	Part5 正規表現
👈 Now

はじめに

C++11で導入されたconstexpr。最初は「定数式で使える関数」程度だった。

でもC++14、C++17、C++20と進化して、今やコンパイル時に何でもできるレベルに。

このシリーズでは、Modern C++のテンプレートメタプログラミングを体系的に解説する。

constexprの進化

バージョン	できること
C++11	1行のreturn文のみ
C++14	ローカル変数、ループ、分岐
C++17	if constexpr、constexpr lambda
C++20	仮想関数、try-catch、動的メモリ

C++11 constexpr

最初のconstexprは制約が厳しかった。

// C++11: return文1つだけ
constexpr int factorial_11(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial_11(n - 1);
}

// OK
constexpr int fact5 = factorial_11(5);  // 120

// NG: ローカル変数が使えない
// constexpr int sum_11(int n) {
//     int result = 0;        // エラー！
//     for (int i = 1; i <= n; ++i) {
//         result += i;
//     }
//     return result;
// }

三項演算子と再帰で頑張るしかなかった。

C++14 constexpr

ローカル変数とループが使えるようになった！

// C++14: ループが使える！
constexpr int factorial_14(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 2; i <= n; ++i) {
        result *= i;
    }
    return result;
}

constexpr int sum_to_n(int n) {
    int result = 0;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        result += i;
    }
    return result;
}

constexpr int fact10 = factorial_14(10);
constexpr int sum100 = sum_to_n(100);  // 5050

制限

ただし、まだ以下は使えない：

• 動的メモリ確保
• 仮想関数
• try-catch

C++17 constexpr

if constexpr

コンパイル時に分岐を選択できる。

template<typename T>
constexpr auto process(T value) {
    if constexpr (std::is_integral_v<T>) {
        // 整数型の場合のみコンパイルされる
        return value * 2;
    } else if constexpr (std::is_floating_point_v<T>) {
        // 浮動小数点型の場合のみコンパイルされる
        return value + 0.5;
    } else {
        // それ以外
        return value;
    }
}

constexpr auto result_int = process(10);      // 20
constexpr auto result_float = process(3.14);  // 3.64

通常のifとの違い

template<typename T>
void print_all(T value) {
    // 通常のif: 両方のブランチがコンパイルされる
    if (std::is_integral_v<T>) {
        std::cout << value * 2;
    } else {
        std::cout << value.to_string();  // 整数型でもコンパイルエラー！
    }
}

template<typename T>
void print_all_constexpr(T value) {
    // if constexpr: 選ばれたブランチのみコンパイル
    if constexpr (std::is_integral_v<T>) {
        std::cout << value * 2;
    } else {
        std::cout << value.to_string();  // 整数型ではコンパイルされない
    }
}

constexpr lambda

// C++17からラムダもconstexprにできる
constexpr auto square = [](int x) { return x * x; };
constexpr int result = square(5);  // 25

// 明示的なconstexpr指定も可能
constexpr auto cube = [](int x) constexpr { return x * x * x; };

C++20 constexpr

大幅な拡張！

constexpr仮想関数

struct Base {
    constexpr virtual int value() const { return 1; }
    constexpr virtual ~Base() = default;
};

struct Derived : Base {
    constexpr int value() const override { return 2; }
};

constexpr int get_value() {
    Derived d;
    Base& b = d;
    return b.value();  // 仮想関数呼び出し
}

constexpr int v = get_value();  // 2

constexpr try-catch

constexpr int safe_divide(int a, int b) {
    try {
        if (b == 0) {
            throw "Division by zero";  // コンパイル時例外
        }
        return a / b;
    } catch (...) {
        return 0;
    }
}

// ただし、実際に例外が投げられるとコンパイルエラー
constexpr int result = safe_divide(10, 2);  // OK: 5
// constexpr int error = safe_divide(10, 0);  // エラー！

constexpr動的メモリ

constexpr int sum_vector() {
    std::vector<int> vec;  // コンパイル時にvector！
    
    for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
        vec.push_back(i);
    }
    
    int sum = 0;
    for (int v : vec) {
        sum += v;
    }
    
    return sum;
}

constexpr int result = sum_vector();  // 55

制約: コンパイル時に確保したメモリは、コンパイル時に解放しなければならない。

// NG: メモリがコンパイル時に残る
constexpr auto* get_ptr() {
    return new int(42);  // コンパイルエラー！
}

// OK: メモリを解放して値を返す
constexpr int get_value() {
    auto* p = new int(42);
    int value = *p;
    delete p;
    return value;
}

constexpr std::string

constexpr std::string make_greeting(std::string_view name) {
    std::string result = "Hello, ";
    result += name;
    result += "!";
    return result;
}

// C++20: std::stringがconstexprに
constexpr auto greeting = make_greeting("World");  // "Hello, World!"

consteval: 必ずコンパイル時評価

constexprは実行時評価も許容する。
constevalはコンパイル時のみ。

constexpr int square(int x) {
    return x * x;
}

consteval int square_compile_time(int x) {
    return x * x;
}

int main() {
    int x = 5;
    
    // constexpr: 実行時もOK
    int a = square(x);  // 実行時評価
    
    // consteval: コンパイル時のみ
    // int b = square_compile_time(x);  // エラー！実行時変数は不可
    
    constexpr int c = square_compile_time(5);  // OK
}

使い分け

種類	用途
constexpr	コンパイル時/実行時どちらでも
consteval	コンパイル時専用（より強い保証）
constinit	静的初期化の保証

constinit: 静的初期化の保証

グローバル変数の初期化順序問題を解決。

// 問題: 初期化順序が不定
struct Config {
    static int value;
};
int Config::value = compute_value();  // いつ呼ばれる？

// 解決: constinit
constinit int global_value = 42;  // 必ず静的初期化

// constexprである必要はないが、静的初期化可能でなければならない
constinit thread_local int tls_value = 0;

実践例1: コンパイル時CRC32

constexpr uint32_t crc32_table[256] = []() consteval {
    std::array<uint32_t, 256> table{};
    
    for (uint32_t i = 0; i < 256; ++i) {
        uint32_t crc = i;
        for (int j = 0; j < 8; ++j) {
            crc = (crc >> 1) ^ (0xEDB88320 & (-(crc & 1)));
        }
        table[i] = crc;
    }
    
    return table;
}();

constexpr uint32_t crc32(std::string_view data) {
    uint32_t crc = 0xFFFFFFFF;
    
    for (char c : data) {
        crc = crc32_table[(crc ^ static_cast<uint8_t>(c)) & 0xFF] ^ (crc >> 8);
    }
    
    return crc ^ 0xFFFFFFFF;
}

// コンパイル時にハッシュ計算
constexpr uint32_t hash = crc32("Hello, World!");

実践例2: コンパイル時ソート

template<typename T, size_t N>
constexpr std::array<T, N> sorted(std::array<T, N> arr) {
    // バブルソート（コンパイル時間は気にしない）
    for (size_t i = 0; i < N - 1; ++i) {
        for (size_t j = 0; j < N - i - 1; ++j) {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                auto temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
    return arr;
}

constexpr std::array<int, 5> unsorted = {5, 2, 8, 1, 9};
constexpr std::array<int, 5> sorted_arr = sorted(unsorted);
// sorted_arr = {1, 2, 5, 8, 9}

実践例3: コンパイル時JSON検証

enum class JsonError {
    None,
    UnexpectedChar,
    UnterminatedString,
    // ...
};

constexpr JsonError validate_json(std::string_view json) {
    size_t pos = 0;
    
    auto skip_whitespace = [&]() {
        while (pos < json.size() && 
               (json[pos] == ' ' || json[pos] == '\n' ||
                json[pos] == '\t' || json[pos] == '\r')) {
            pos++;
        }
    };
    
    // 簡略化した検証ロジック
    skip_whitespace();
    if (pos >= json.size()) {
        return JsonError::UnexpectedChar;
    }
    
    if (json[pos] == '{' || json[pos] == '[') {
        // オブジェクトまたは配列
        return JsonError::None;  // 実際はもっと詳細にチェック
    }
    
    return JsonError::UnexpectedChar;
}

// コンパイル時にJSONを検証
static_assert(validate_json(R"({"key": "value"})") == JsonError::None);
static_assert(validate_json(R"([1, 2, 3])") == JsonError::None);
// static_assert(validate_json("invalid") == JsonError::None);  // エラー！

コンパイル時計算のデバッグ

// static_assertでデバッグ
constexpr int compute_something(int x) {
    int result = 0;
    for (int i = 0; i < x; ++i) {
        result += i * i;
    }
    return result;
}

// 期待値をチェック
static_assert(compute_something(0) == 0);
static_assert(compute_something(1) == 0);
static_assert(compute_something(3) == 5);  // 0 + 1 + 4 = 5
static_assert(compute_something(5) == 30); // 0 + 1 + 4 + 9 + 16 = 30

まとめ

キーワード	C++	用途
constexpr	11+	コンパイル時/実行時両用
if constexpr	17	コンパイル時分岐
constexpr lambda	17	コンパイル時ラムダ
consteval	20	コンパイル時専用
constinit	20	静的初期化保証

C++20のconstexprは強力すぎて、もはや実行時コードをそのままコンパイル時に持っていけるレベル。

次回はコンセプトを使った型制約について解説する。

続きが気になったら、いいね・ストックしてもらえると嬉しいです！