4. コンパイル時のタプルやリストを展開処理するtemplate for文 [P1306R5]

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コンパイル時のタプルやリストを展開処理するtemplate for文 [P1306R5](C++26)

このページはC++26に採用される見込みの言語機能の変更を解説しています。

のちのC++規格でさらに変更される場合があるため関連項目を参照してください。

概要

C++26では、タプル、構造体、Range、パラメータパック展開リストなどの各要素に対して、コンパイル時に文を繰り返し展開する「展開文 (expansion statement)」としてtemplate for文を導入する。

auto tup = std::make_tuple(0, 'a', 3.14);
template for (auto elem : tup) {
  std::println("{}", elem);
}

出力：

0
a
3.14

このtemplate for文は、本体の文をコンパイル時に要素数分だけ展開する。上記のコードは以下と等価である：

{
  { auto elem = get<0>(tup); std::println("{}", elem); }
  { auto elem = get<1>(tup); std::println("{}", elem); }
  { auto elem = get<2>(tup); std::println("{}", elem); }
}

各展開において要素の型が異なりうるため、通常のfor文では実現できない処理が可能となる。

構文

template for ( init-statement(opt) for-range-declaration : expansion-initializer ) compound-statement

expansion-initializerには以下の3種類の形式がある：

  • 列挙展開: { expression-list } — 引数パック展開や、任意のタプル指定
  • 反復展開 (Range) : expression — begin()/end()が定義され、要素数がコンパイル時に確定するRange
  • 分解展開 (構造体・タプル) : expression — 構造化束縛可能なオブジェクト

展開の種類

列挙展開

ブレース区切りの式リストやパック展開を展開する。

template <typename... Ts>
void print_all(Ts... elems) {
  template for (auto elem : {elems...}) {
    std::println("{}", elem);
  }
}

print_all(1, 2.0, "three");

パック展開のほか、任意の式のリストも使用できる：

template for (auto x : {1, 2.0, "three"}) {
  std::println("{}", x);
}

反復展開

begin()/end()が定義され、end - beginがコンパイル時に確定するRangeを展開する。

void f() {
  template for (constexpr int I : std::array{1, 2, 3}) {
    static_assert(I < 4);
  }
}

分解展開

構造化束縛可能なオブジェクト（タプル、構造体など）を展開する。

struct Point { int x; int y; int z; };

consteval long total_size(Point p) {
  long result = 0;
  template for (auto field : p) {
    result += sizeof(field);
  }
  return result;
}

範囲としても分解としても解釈できる場合は、範囲が優先される。

breakとcontinue

template for文の本体内でbreakとcontinueを使用できる。これらは実行時の制御フローとして動作する。

  • break : 展開全体の末尾に飛ぶ
  • continue : 次の展開の先頭に飛ぶ

同じ型の要素のみのタプルであれば、通常のif文で条件分岐できる：

auto tup = std::make_tuple(1, 2, 3);
template for (auto elem : tup) {
  if (elem == 2) break;
  std::println("{}", elem);
}
// 出力: 1

異なる型の要素をもつタプルでは、型に依存する条件をif constexprで分岐する必要がある：

auto tup = std::make_tuple(1, "hello", 3.14);
template for (auto elem : tup) {
  // 整数型の場合のみ値を判定してcontinueする
  if constexpr (std::is_integral_v<decltype(elem)>) {
    if (elem == 1) continue;
  }
  std::println("{}", elem);
}
// 出力:
// hello
// 3.14

return

template for文の本体内でreturnを使用すると、所属する関数から直接返る。これはstd::apply()にラムダ式を渡す方法では実現できなかった利点である。

// タプルの要素から最初の整数型の値を探して返す
template <class Tuple>
std::optional<int> find_first_int(Tuple&& tup) {
  template for (auto&& elem : tup) {
    if constexpr (std::is_integral_v<std::remove_cvref_t<decltype(elem)>>) {
      return elem;  // 所属する関数から直接返る
    }
  }
  return std::nullopt;
}

auto tup = std::make_tuple("hello", 42, 3.14);
auto result = find_first_int(tup);  // 42

co_await

template for文の本体内でco_awaitを使用すると、所属するコルーチンを直接サスペンドできる。ラムダ式内のco_awaitは囲む関数ではなくラムダ自体をコルーチンにしてしまうため、従来の方法では実現が困難であった。

// タプルの各要素に対して非同期処理を順番に実行する
template <class Tuple>
Task process_all(Tuple&& tup) {
  template for (auto&& elem : tup) {
    co_await async_process(elem);  // 所属するコルーチンをサスペンドする
  }
}

この機能が必要になった背景・経緯

C++23以前では、std::tupleのような異種型コンテナの各要素を処理するために、テンプレートの再帰的インスタンス化やstd::apply()を使用する必要があった。これらの手法には以下の問題があった：

  • コンパイル時間とメモリの消費が大きい
  • ラムダ式内でのreturnやco_awaitが囲む関数に影響を与えない
  • コードが不自然で読みにくい

template for文はこれらの問題を解決し、異種型コンテナの反復処理を通常のfor文と同様の構文で記述できるようにする。

関連項目

参照