Chapter 03: Language Runtime Enhancements ノート ¶

Chapter 03: Language Runtime Enhancements についてのノート。

記法	分類
`[]`	空
`[name1, name2, ...]`	値捕捉
`[&]`	参照捕捉（コンパイラー自身に参照リストであることを推論させる）
`[=]`	値捕捉（コンパイラー自身に値リストであることを推論させる）

3.2 Function Object Wrapper ¶

この機能は標準ライブラリの一部であり、C++ のランタイム機能を強化するものだ。この部分も重要なので、導入のためにここに記すとある。

`std::function`¶

ラムダ式の本質は、関数オブジェクト型に似たクラス型のオブジェクトであるということだ。前者と後者をそれぞれクロージャー型、クロージャーオブジェクトと呼ぶ。ラムダ式の捕捉リストが空の場合、クロージャーオブジェクトを関数ポインター値に変換して受け渡すことなども可能だ。本文の例コードから auto や using が便利であることがわかる。

これらから callable の概念が抽象化され、それをラップするのが std::function だ。関数ポインターに比べれば型安全度が相対的に高い。関数ポインターをラップする例：

#include <functional>
#include <iostream>

int foo(int para) {
    return para;
}

int main() {
    std::function<int(int)> func = foo;
    std::cout << func(10) << std::endl;
}

ラムダ式をラップする例：

#include <functional>
#include <iostream>

int main() {
    int important = 10;
    std::function<int(int)> func = [&](int value) -> int {
        return 1 + value + important;
    };
    std::cout << func(10) << std::endl;
}

`std::bind` and `std::placeholder`¶

関数呼び出しの実引数を束縛するために std::bind が使われる。実引数の用意ができるタイミングがバラバラのときに有用だ：

int foo(int a, int b, int c) {
    // ...
}

int main() {
    // bind parameter 1, 2 on function foo,
    // and use std::placeholders::_1 as placeholder for the first parameter.
    auto bindFoo = std::bind(foo, std::placeholders::_1, 1, 2);

    // when call bindFoo, we only need one param left
    bindFoo(1);
}

3.3 Rvalue Reference ¶

Rvalue 参照は、C++11 での導入により歴史的な問題を大量に解決した重要な概念だ。 std::vector, std::string などの余分なオーバーヘッドを排除し、関数オブジェクトコンテナー std::function の実現を可能にするものだ。

lvalue, rvalue, prvalue, xvalue ¶

読者ノート

これらの概念を図式化したものを既存ノートから引用する：

flowchart BT glvalue & rvalue --> expression lvalue --> glvalue xvalue --> glvalue & rvalue prvalue --> rvalue linkStyle 0,1,2,3,4,5 stroke:#000,stroke-width:1px,fill:none; classDef default fill:none,stroke:none;

Expression category taxonomy¶

prvalue (pure rvalue, purely rvalue) は、

10, true などの純粋なリテラルか、
1 + 2 などの評価結果がリテラルまたは匿名一時オブジェクトと等価である

かのどちらかだ。非参照によって返される一時変数、演算式によって生成される一時変数、元のリテラル、ラムダ式はすべて純粋な rvalue だ。特に、リテラル（文字列リテラルを除く）は prvalue だ。文字列リテラルは例外的に const char 配列型の lvalue であるとする。

xvalue (expiring value) は C++11 が rvalue 参照を導入するために提案した概念で（つまり従来の C++ では、prvalue と rvalue は同じ概念）、破棄されるが移動できる値を意味する。

std::vector<int> foo() {
    std::vector<int> temp = {1, 2, 3, 4};
    return temp;
}

std::vector<int> v = foo();

ここで foo() で生成された戻り値は一時的な値だ。v にコピーされると即座に破棄され、取得・変更することはできない。C++11 以降、コンパイラーは lvalue である temp に対して、static_cast<std::vector<int> &&>(temp) と同等の暗黙の rvalue変換を行い、v は foo が返す値をローカルに move させるという作業を行うようになった。

rvalue reference and lvalue reference ¶

xvalue を取得するには、rvalue 参照の宣言 T&& を使用する。rvalue 参照の宣言は、この一時的な値の寿命を延長する。変数が生きている限り、xvalue は存続する。

C++11 では、lvalue 引数を無条件に rvalue に変換する std::move がある。 std::move は宣言がヘッダーファイル <utility> にある。これを使えば、例えば rvalue の一時オブジェクトを簡単に取得することができる。

std::string lv1 = "string,";       // lv1 is a lvalue
// std::string&& r1 = lv1;          // illegal, rvalue can't ref to lvalue
std::string&& rv1 = std::move(lv1); // legal, std::move can convert lvalue to rvalue

Move semantics ¶

従来の C++ ではコピーコンストラクターやコピー代入演算子でしかクラスオブジェクトの複製を設計していなかった。資源の移動を実装するには、呼び出し側が先に複製してから破壊するメソッドを使う必要があり、そうでなければ、移動先のオブジェクトのインターフェースを自分で実装する必要があった。

こうなると大量のデータが複製され、時間と空間を浪費していた。rvalue 参照の導入は、複製と移動の概念の混同を解消する狙いがある。

本文の例では、次のコンストラクターが鍵だ：

class A{
   int* pointer;

public:
   A() : pointer(new int(1)) {
   }

   A(A& a) : pointer(new int(*a.pointer)) {}

   A(A&& a) : pointer(a.pointer) {
       a.pointer = nullptr;
   }

   ~A(){
       delete pointer;
   }

   // ...
};

// avoid compiler optimization
A return_rvalue(bool test) {
    A a, b;
    if(test) return a; // equal to static_cast<A&&>(a);
    else return b; // equal to static_cast<A&&>(b);
}

int main() {
    A obj = return_rvalue(false);
    // ...
}

関数 main の一行目の右辺が xvalue として評価される。その結果、左辺 obj の初期化にはコンストラクター A(A&&) が採用される。obj.pointer は xvalue のメンバーデータ pointer と同一であり、このコンストラクター内部で xvalue の pointer は nullptr にリセットされる。さらに、xvalue に対してデストラクターが直ちに呼び出され、nullptr は安全に処理される。

標準ライブラリーにもこの形式のコンストラクター、代入演算子が提供されている。文字列の例：

std::string str = "Hello world.";
std::vector<std::string> v;

// use push_back(const T&&),
// no copy the string will be moved to vector,
// and therefore std::move can reduce copy cost
v.push_back(std::move(str));

読者ノート

const T&& は const なのか？

Perfect forwarding ¶

従来の C++ では参照型を参照し続けることできなかった。しかし、rvalue 参照の登場によりこの慣習が撤回され、lvalue 参照と rvalue 参照の両方を参照することができる規則に変わった。

関数テンプレートで T&& を使用すると、rvalue 参照ができない場合があり、 lvalue が渡されると、この関数への参照は lvalue として導出されることになる。より正確には、テンプレート引数がどのような参照型であっても、引数の型が右参照である場合に限り、テンプレート引数は右参照型として導出されることができる。これにより、lvalueの受け渡しが成功する。

完全転送 (perfect forwarding) とは、引数を渡す際に元の引数の型を維持したまま転送する（渡す）ことを意味する。lvalue 参照は lvalue 参照を、rvalue 参照は rvalue 参照を維持する。この問題を解決するために、std::forward を使って引数を転送する必要がある。

std::forward<T>(v) は static_cast<T&&>(v) に他ならない。

Conclusion ¶

本章で紹介する機能はすべて知っておいて損はない：

ラムダ式
関数オブジェクトコンテナー std::function
rvalue 参照

Chapter 03: Language Runtime Enhancements ノート ¶

3.1 Lambda Expression ¶

Basics ¶

Value capture ¶

Reference capture ¶

Implicit capture ¶

Expression capture ¶

Generic Lambda ¶

3.2 Function Object Wrapper ¶

`std::function`¶

`std::bind` and `std::placeholder`¶

3.3 Rvalue Reference ¶

lvalue, rvalue, prvalue, xvalue ¶

rvalue reference and lvalue reference ¶

Move semantics ¶

Perfect forwarding ¶

Conclusion ¶

Further Readings ¶