テンプレート

[C++] テンプレートを使った任意型配列の定義方法

C++ではテンプレートを使用して任意の型を扱う配列を定義できます。

テンプレートは型をパラメータ化する仕組みで、クラスや関数に適用可能です。

任意型配列を作成するには、テンプレートクラスを定義し、型パラメータ(例: typename T)を使用します。

この型パラメータを配列の要素型として利用することで、特定の型に依存しない汎用的な配列を実現できます。

目次から探す

テンプレートを使った任意型配列の実装方法
テンプレートの高度な活用
テンプレートを使った任意型配列の応用例
テンプレートを使う際の注意点
まとめ

テンプレートを使った任意型配列の実装方法

C++のテンプレートを利用することで、任意の型に対応した配列を簡単に実装することができます。

以下に、基本的なテンプレートを使った任意型配列の実装例を示します。

#include <iostream>
#include <vector>
template <typename T>
class Array {
private:
    std::vector<T> data; // データを格納するベクター
public:
    // コンストラクタ
    Array(size_t size) {
        data.resize(size); // 指定したサイズでベクターをリサイズ
    }
    // 要素へのアクセス
    T& operator[](size_t index) {
        return data[index]; // 指定したインデックスの要素を返す
    }
    // 配列のサイズを取得
    size_t size() const {
        return data.size(); // ベクターのサイズを返す
    }
};
int main() {
    Array<int> intArray(5); // 整数型の配列を作成
    for (size_t i = 0; i < intArray.size(); ++i) {
        intArray[i] = i * 10; // 各要素に値を代入
    }
    // 配列の内容を表示
    for (size_t i = 0; i < intArray.size(); ++i) {
        std::cout << "intArray[" << i << "] = " << intArray[i] << std::endl;
    }
    return 0;
}

intArray[0] = 0
intArray[1] = 10
intArray[2] = 20
intArray[3] = 30
intArray[4] = 40

このコードでは、Arrayクラスをテンプレートとして定義し、任意の型Tに対応した配列を作成しています。

std::vectorを使用して内部データを管理し、インデックス演算子をオーバーロードすることで、配列のように要素にアクセスできるようにしています。

テンプレートの高度な活用

C++のテンプレートは、単なる型の抽象化にとどまらず、さまざまな高度な機能を実現するために活用できます。

ここでは、テンプレートの高度な活用方法として、特化化、テンプレートメタプログラミング、可変引数テンプレートの3つの技術を紹介します。

特化化

特化化を使用すると、特定の型に対して異なる実装を提供できます。

以下は、整数型と浮動小数点型に対する特化化の例です。

#include <iostream>
template <typename T>
class Calculator {
public:
    T add(T a, T b) {
        return a + b; // 通常の加算
    }
};
// 整数型に特化
template <>
class Calculator<int> {
public:
    int add(int a, int b) {
        std::cout << "整数型の加算" << std::endl;
        return a + b; // 整数型の加算
    }
};
// 浮動小数点型に特化
template <>
class Calculator<double> {
public:
    double add(double a, double b) {
        std::cout << "浮動小数点型の加算" << std::endl;
        return a + b; // 浮動小数点型の加算
    }
};
int main() {
    Calculator<int> intCalc;
    std::cout << intCalc.add(3, 4) << std::endl; // 整数型の加算
    Calculator<double> doubleCalc;
    std::cout << doubleCalc.add(3.5, 4.5) << std::endl; // 浮動小数点型の加算
    return 0;
}

整数型の加算
7
浮動小数点型の加算
8

テンプレートメタプログラミング

テンプレートメタプログラミングを使用すると、コンパイル時に計算を行うことができます。

以下は、階乗を計算するメタプログラムの例です。

#include <iostream>
template <int N>
class Factorial {
public:
    static const int value = N * Factorial<N - 1>::value; // 再帰的に階乗を計算
};
template <>
class Factorial<0> {
public:
    static const int value = 1; // 基底ケース
};
int main() {
    std::cout << "5の階乗: " << Factorial<5>::value << std::endl; // 5の階乗を表示
    return 0;
}

5の階乗: 120

可変引数テンプレート

可変引数テンプレートを使用すると、任意の数の引数を受け取る関数を定義できます。

以下は、複数の引数を受け取って合計を計算する例です。

#include <iostream>
template <typename... Args>
int sum(Args... args) {
    return (args + ...); // Fold式を使用して合計を計算
}
int main() {
    std::cout << "合計: " << sum(1, 2, 3, 4, 5) << std::endl; // 合計を表示
    return 0;
}

合計: 15

これらの技術を活用することで、C++のテンプレートをより効果的に利用し、柔軟で再利用可能なコードを作成することができます。

テンプレートを使った任意型配列の応用例

テンプレートを使った任意型配列は、さまざまな場面で応用可能です。

ここでは、以下の3つの具体的な応用例を紹介します。

異なる型のデータを格納する配列
配列のソート機能の実装
配列のフィルタリング機能の実装

1. 異なる型のデータを格納する配列

C++のテンプレートを使用することで、異なる型のデータを格納できる配列を作成できます。

以下は、std::variantを使用して異なる型を格納する配列の例です。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <variant>
#include <string>
template <typename T>
class VariantArray {
private:
    std::vector<std::variant<int, double, std::string>> data; // 異なる型を格納するベクター
public:
    void add(const std::variant<int, double, std::string>& value) {
        data.push_back(value); // 値を追加
    }
    void print() const {
        for (const auto& value : data) {
            std::visit([](auto&& arg) { std::cout << arg << " "; }, value); // 値を表示
        }
        std::cout << std::endl;
    }
};
int main() {
    VariantArray<int> varArray;
    varArray.add(10);
    varArray.add(3.14);
    varArray.add("Hello");
    varArray.print(); // 配列の内容を表示
    return 0;
}

10 3.14 Hello

2. 配列のソート機能の実装

任意型配列に対してソート機能を実装することも可能です。

以下は、テンプレートを使った配列のソート機能の例です。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
template <typename T>
class SortableArray {
private:
    std::vector<T> data; // データを格納するベクター
public:
    SortableArray(size_t size) {
        data.resize(size); // 指定したサイズでベクターをリサイズ
    }
    T& operator[](size_t index) {
        return data[index]; // 指定したインデックスの要素を返す
    }
    void sort() {
        std::sort(data.begin(), data.end()); // ベクターをソート
    }
    void print() const {
        for (const auto& value : data) {
            std::cout << value << " "; // 値を表示
        }
        std::cout << std::endl;
    }
};
int main() {
    SortableArray<int> intArray(5);
    intArray[0] = 5;
    intArray[1] = 3;
    intArray[2] = 4;
    intArray[3] = 1;
    intArray[4] = 2;
    intArray.sort(); // 配列をソート
    intArray.print(); // ソート後の配列を表示
    return 0;
}

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3. 配列のフィルタリング機能の実装

任意型配列に対してフィルタリング機能を実装することもできます。

以下は、特定の条件に基づいて要素をフィルタリングする例です。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
template <typename T>
class FilterableArray {
private:
    std::vector<T> data; // データを格納するベクター
public:
    void add(const T& value) {
        data.push_back(value); // 値を追加
    }
    std::vector<T> filter(bool (*predicate)(const T&)) const {
        std::vector<T> result;
        std::copy_if(data.begin(), data.end(), std::back_inserter(result), predicate); // 条件に合う要素をコピー
        return result;
    }
    void print() const {
        for (const auto& value : data) {
            std::cout << value << " "; // 値を表示
        }
        std::cout << std::endl;
    }
};
bool isEven(const int& value) {
    return value % 2 == 0; // 偶数かどうかを判定
}
int main() {
    FilterableArray<int> intArray;
    intArray.add(1);
    intArray.add(2);
    intArray.add(3);
    intArray.add(4);
    intArray.add(5);
    auto evenNumbers = intArray.filter(isEven); // 偶数をフィルタリング
    for (const auto& num : evenNumbers) {
        std::cout << num << " "; // 偶数を表示
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}