[C++] Concepts で外部ライブラリの template よりも優先されるオーバーロード関数を書く

※この記事は C++ Advent Calendar 2020 一日目の記事です。

はじめに

 C++20 で Concepts が導入されました。
コンセプト - cpprefjp C++日本語リファレンス

コンセプトはテンプレートパラメータを制約する機能で、「コンセプトによって関数オーバーロードやテンプレート特殊化」ができます。

今までテンプレート関数のオーバーロードを書く場合は SFINAE などのテクニックを使って書いていたと思いますが、コンセプトで書きやすくなりました。

これも大きな変化の１つですが、コンセプト関数が通常の関数よりも優先して lookup されるのも便利になった点の１つです。

コンセプトによるオーバーロードの場合、コンセプト関数が通常の関数よりも優先して lookup され、要件を満たすコンセプト関数がなかったら他の候補を探しに行きます。SFINAE では優先順位がつけられないケースでもコンセプトなら可能になりました。

どういうこと？

SFINAE では解決できなかった優先順位問題とコンセプトを使った実装の例

こういうこと？https://t.co/agPHVeBIV9

— いなむのみたまのかみ🍹☄️🐉🌽☃ (@mitama_rs) December 24, 2019

	#include <iostream>
	#include <cstdlib>
	#include <type_traits>
	#include "donot-change.h"
	struct X
	{
	};
	template <class T>
	concept printable = requires (T x) { ::std::cout << x; };
	template<typename T>
	requires (!printable<T>)
	void print(const T&)
	{
	::std::cout << "unknown" << ::std::endl;
	}
	int main()
	{
	print(1);
	print(nullptr);
	print(X());
	}
	// https://wandbox.org/permlink/yznTfVoLiDd3deC9

view raw Concepts.cpp hosted with ❤ by GitHub

	template<typename T>
	void print(const T& val)
	{
	::std::cout << val << ::std::endl;
	}

view raw donot-change.h hosted with ❤ by GitHub

	#include <iostream>
	#include <cstdlib>
	#include <type_traits>
	#include "donot-change.h"
	struct X
	{
	};
	void print(...)
	{
	::std::cout << "unknown" << ::std::endl;
	}
	template<typename T>
	void print(const T& val, typename std::enable_if<std::is_same<decltype((::std::cout << std::declval<T>()), int()), int>::value>::type* = nullptr)
	{
	::std::cout << val << ::std::endl;
	}
	#if __GNUC__ < 8
	template<>
	void print(const ::std::nullptr_t&)
	{
	::std::cout << "nullptr" << ::std::endl;
	}
	#endif
	int main()
	{
	print(1);
	print(nullptr);
	print(X());
	}
	// https://wandbox.org/permlink/5Yoc4b6Px7V89r17

view raw SFINAE.cpp hosted with ❤ by GitHub

↑こちらは、std::cout << できない型の場合は "unknown" を出力するようにしようとしている様子です。

donot-change.h には std::cout するだけの template 関数 print があります。

こちらは変更ができない想定です。（外部ライブラリとか）

SFINAE.cpp では頑張って、 std::cout ができない場合で特殊化しオーバーロードしようとしてます。他の書き方を書いたりもしましたが、どうしても ambiguous になってしまって条件を満たすことができませんでした。

一方 Concepts.cpp は printable ではないコンセプト制約でオーバーロードするだけで実現できています。

すごく簡単ですね。

ちなみに

ちなみに donot-change.h を変更可能とした場合は、以下のように書くことができます。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

namespace printer_internal { template<typename Elem, typename Traits, typename T> ::std::basic_ostream<Elem, Traits>& operator << (::std::basic_ostream<Elem, Traits>& os, const T&) {     return os << "unknown"; } }   // 解決順序 // foo::operator << // ::operator << // ::printer_internal::operator << template<typename T> void print(const T& val) {     using namespace ::printer_internal;     ::std::cout << val << ::std::endl; }

これは ADL の解決順序を利用して実現しています。

[Wandbox]三へ( へ՞ਊ ՞)へ ﾊｯﾊｯ https://wandbox.org/permlink/rlQoH37cvYTI23qo 

使い所は？

例でも示したとおり、オーバーロードしたい対象の関数を変更できるのであれば、そちらで解決する方法を模索するのが良いと思います。

ただ、外部ライブラリなど変更することができない場合、非侵入的に解決する方法として覚えておくと役に立つ日が来るかもしれません。

実例

そもそも私がなんで外部ライブラリの挙動をオーバーロードで変更したいと思ったのかというと、以下の理由でした。

* Google Test はアサーションが失敗すると、そのときの値を出力します

* std::cout できない場合はバイト列を出力します

* できない場合の対応は「ちなみに」の ADL を利用した方法で実現されています

* 古い Google Test ではこの機能がない

* 自作テスティングフレームワーク iutest は Google Test と互換性がある

* iutest は Google Test の拡張機能としての一面もある

* 古い Google Test と iutest の組み合わせでも不明な型を printable にしたい

* Google Test 側のコードは書き換えられない

* どうしよう

実際にコンセプトで対応してる部分はこちらになります。

https://github.com/srz-zumix/iutest/blob/master/include/gtest/iutest_switch_for_gtest.hpp#L449

最後に

教えていただいた いなむのみたま(@mitama_rs) 先生ありがとうございました。

ちなみにそのツイートにもぶら下がってますが、C++20 未満のコンパイラでこの問題を解決する方法も募集しておりますmm