4. 共用体の特殊メンバ関数のトリビアル化 [P3074R7]

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共用体の特殊メンバ関数のトリビアル化 [P3074R7](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、共用体 (union) のデフォルトコンストラクタとデストラクタの規則を変更し、より多くの場合にトリビアル (trivial) となるようにする。

これにより、非トリビアルな型のメンバをもつ共用体を未初期化のストレージとしてconstexprの文脈で使用できるようになる。

template <typename T, std::size_t N>
struct FixedVector {
  union { T storage[N]; };
  std::size_t size = 0;

  // C++23まで: unionのコンストラクタ/デストラクタが削除されるためコンパイルエラー
  // C++26: OK。unionのコンストラクタ/デストラクタはトリビアル
  constexpr FixedVector() {
    // 配列storage自体の生存期間を明示的に開始する（要素の生存期間は開始されない）
    std::start_lifetime(storage);
  }

  constexpr ~FixedVector() {
    std::destroy(storage, storage + size);
  }

  constexpr auto push_back(T const& v) -> void {
    std::construct_at(storage + size, v);
    ++size;
  }
};

仕様

デフォルトコンストラクタの規則

共用体のデフォルトコンストラクタは、以下の条件を満たす場合にトリビアルとなる：

  • デフォルトメンバ初期化子をもつメンバがない

トリビアルなデフォルトコンストラクタは、いかなる初期化も実行せず、どのメンバの寿命も開始しない。メンバの寿命はstd::start_lifetime()などで明示的に開始する。

  • 本提案の当初の仕様では「共用体の最初の選択肢 (variant member) が暗黙的寿命型 (implicit-lifetime type) の場合、トリビアルなデフォルトコンストラクタがそのメンバの寿命を暗黙に開始する」とされていたが、この規則はABI破壊などの問題があったため、P3726R2で撤回された

// トリビアルデフォルトコンストラクタ、トリビアルデストラクタ
// sの寿命は開始されない
union U1 { std::string s; };

// 非トリビアルデフォルトコンストラクタ (デフォルトメンバ初期化子がある)
// デストラクタは削除される
union U2 { std::string s = "hello"; };

// トリビアルデフォルトコンストラクタ、トリビアルデストラクタ
// sの寿命は開始されない（P3726R2により、配列でも暗黙開始はされない）
union U3 { std::string s[10]; };

デストラクタの規則

共用体のデストラクタは、デフォルトメンバ初期化子をもつメンバが非トリビアルなデストラクタをもつ場合に削除される。それ以外の場合、デストラクタはトリビアルとなる。

// トリビアルデストラクタ (デフォルトメンバ初期化子なし)
union U4 { std::string s; };

// 削除されたデストラクタ (デフォルトメンバ初期化子があり、std::stringは非トリビアルデストラクタ)
union U5 { std::string s = "hello"; };

// トリビアルデストラクタ (デフォルトメンバ初期化子はあるが、intはトリビアルデストラクタ)
union U6 { std::string s; int n = 0; };

constexprでの使用

この変更により、共用体を未初期化ストレージとしてconstexprの文脈で使用できるようになる。

#include <cassert>
#include <memory> // std::construct_at(), std::start_lifetime()

constexpr int f() {
  union { int s[4]; };
  // 配列s自体の寿命を明示的に開始し、アクティブメンバにする
  std::start_lifetime(s);
  std::construct_at(&s[0], 1);
  std::construct_at(&s[1], 2);
  std::construct_at(&s[2], 3);
  return s[0] + s[1] + s[2];
}

int main() {
  static_assert(f() == 6);
}

既存コードへの影響

  • これまで削除されていたコンストラクタ/デストラクタがトリビアルになるケースがあるため、以前はコンパイルエラーだったコードがコンパイル可能になる
  • すでに有効なコードの意味は変わらない
  • 未初期化オブジェクトへのアクセスは依然として未定義動作

備考

inplace_vectorへの影響

この変更により、std::inplace_vectorコンテナが非トリビアルな要素型をもつ場合でもconstexprで使用できるようになる。

非トリビアルデストラクタの実行時コスト

「なにもしないデストラクタ」であっても非トリビアルである場合、コンパイラはデストラクタの呼び出しコードを生成する必要があり、最適化が妨げられる場合がある。デストラクタがトリビアルであればそのようなコードは不要であり、new[]式でのcookie (配列要素数の管理情報) も不要になる。

この機能が必要になった背景・経緯

constexprプログラミングにおいて、未初期化のストレージを扱う需要がある。実行時プログラミングではalignas(T) unsigned char buffer[sizeof(T)]のようなバイト配列を使用できるが、この手法はconstexprでは動作しない。

代わりに共用体を使用するのが自然なアプローチであるが、非トリビアルな型をメンバにもつ共用体はデフォルトコンストラクタとデストラクタが暗黙的に削除されてしまうため、「なにもしない」コンストラクタとデストラクタを明示的に定義する必要があった。しかし、明示的に定義された「なにもしない」デストラクタはトリビアルではなく、実行時のパフォーマンスコストが発生していた。

この仕様変更により、共用体のコンストラクタとデストラクタの規則を改善し、未初期化ストレージとしての使用をconstexprと実行時の両方でゼロコストにする。

関連項目

参照