C++の新機能を理解する――出力と部分シーケンス関連の機能強化

【C++の新機能を理解する】最新バージョンを徹底解説！ 第5回

　C++は、C言語より派生した歴史のあるオブジェクト指向言語です。このC++は、システムプログラミングにも適した高速で緻密なコーディングのための言語ですが、絶え間なく進化を続けており、モダンな言語仕様やライブラリ機能も貪欲に取り込んでいます。本連載では、このC++の最新バージョンにフォーカスし、その新機能を紹介していきます。また、最新バージョン以前の機能にも関連の深いものについて言及することで、新機能をつながりとして理解できることも意識します。第5回では、前回に引き続きC++ 23における標準ライブラリの機能強化について、println関数などの出力関連、mdspanなどの部分シーケンス関連、flat_set／flat_mapなどのコレクション関連を中心に紹介します。

対象読者

• C++の最新バージョンの機能を把握したい方
• C++の経験者で、C++に改めて入門したい方
• プログラミング言語の最新パラダイムに関心のある方

必要な環境

　本記事のサンプルコードは、以下の環境で動作を確認しています。なお、一部のサンプルは以下の環境では動作しないか、あるいは実験的実装（Experimental）なので動作が不安定になる可能性があります。

• macOS Sequoia / Windows 11
  • Xcode Command Line Tools 16.0（Clang 16.0.0）
  • w64devkit 2.4.0（GCC 15.2.0）

　主要コンパイラのC++対応状況およびC++プログラムのコンパイルについての説明は、第1回を参照してください。

出力関連の強化

　C++ 23では、フォーマット付き出力のためのstd::print／std::println関数が使えるようになりました。

　C++では、標準出力などに情報を書き出したい場合、高水準のストリーム出力であるcoutの利用が基本です（本連載もそれに倣っています）。しかしながら、書き出す値が増えたり、書式指定が必要な場合には、たくさんの「<<」演算子やマニュピレータ（出力形式を指定するオブジェクト）が必要になるなど、コードが長くなり可読性も下がる傾向があります。このため、できれば従来のprintf関数のようにシンプルに書式指定したいというニーズがありました。

簡潔でフォーマット可能な出力のためのstd::print／std::println［C++ 23］

　C++ 23では、printf関数のような書式指定文字列を使った出力を行う、print／println関数が利用できるようになりました。両者の違いは、最後に改行文字を出力するかどうかです。これらの関数には、第1引数にストリームを受け取るものと、従来のファイルハンドルを受け取るオーバーロードがあります。

　前者を使う場合には<iostream>を、後者を使う場合には<print>を、それぞれincludeします。書式指定文字列自体は共通なので、以降は<iostream>を使っていきます。

　以下のリストは、"Hello, world!"＋改行を得る出力を、それぞれの関数で記述したものです。

リスト　print.cpp

#include <iostream>
#include <print>
…略…
print(cout, "Hello, world!\n");
println(cout, "Hello, world!");
print(stdout, "Hello, world!\n");
println(stdout, "Hello, world!");

std::formatによる書式指定［C++ 20］

　print／println関数における書式指定自体は、C++ 20で利用できるようになったstd::format関数に準拠したものを使います。基本となるのは、値を埋め込む置換フィールド（プレースホルダー）です。

　以下のように、中カッコ（{ }）を使って置換フィールドを指定します。中カッコに引数ID（位置パラメータ）を埋め込み、引数の位置を0からの数値で指定することもできます。このように、printf関数における%d、%sといったものではなく、多くのモダンなプログラミング言語で採用されているプレースフォルダを使うのが特徴です。

　以下のリストは、置換フィールドの基本的な使用例です。位置パラメータのありとなしの例となっています。

リスト　print.cpp

auto x = 2, y = 3, z = 5;
println(cout, "{} + {} = {}", x, y, z);		// 順番に入る
println(cout, "{2} + {1} = {0}", z, y, x);	// 2番目、1番目、0番目の順に入る

　置換フィールドにオプションを埋め込むことで、値の出力形式を細かく指定可能です。オプションは、従来のprintf関数におけるものを踏襲していますが、省略して既定のフォーマットで出力させることができます。

　オプションは、位置パラメータと区別するために、コロン（:）で区切って指定します。オプションには、型、幅、フィル（埋め文字）、揃え方向（アラインメント）、符号、プレフィクス、精度などを以下の形式で指定できます。

[[フィル]アラインメント][符号][#][0][幅][.精度]L型

• フィル：揃えるときに使う埋め文字（既定値は半角スペース）
• アラインメント：揃え方向の指定（>：右揃え、<：左揃え、^：中央揃え）
• 符号：符号の指定（+：正数に符号を表示する、-：負数のみ符号を表示（既定）、スペース：正数にはスペースを表示）
• #：代替表現（0xなど形式がわかる表記）の指定
• 0：符号を考慮して0で埋める指定
• 幅：出力する幅（置換フィールドを使って変数で指定可）
• 精度：浮動小数点数では小数点以下の桁数、文字列では文字数（置換フィールドを使って変数で指定可）
• L：ロケールを考慮するか
• 型：値の表現方法

　型には、以下の表に挙げるものをデータ型に応じて指定できます（?は、C++ 23から利用可能になったデバッグ出力の指定です）。

表

型	型指定	概要
文字列	s（既定）または?	文字列をそのまま、あるいは引用符で囲ってエスケープ処理を施して出力
文字	c（既定）または?	文字をそのまま、あるいは引用符で囲ってエスケープ処理を施して出力
論理値	s（既定）	false/trueのいずれかで出力
整数	b/B, d, o, x/X, c	2進整数、10進整数、8進整数、16進整数、文字
浮動小数点数	f/F, e/E, a/A, g/G（既定）	指数表記なし、指数表記あり、16進数で指数表記、値によって指数表記
ポインタ	p	アドレスを出力

　以下は、主なオプションの使用例です。

リスト　print.cpp

auto s = "Hello\nWorld!";
auto c = '\t';
auto d = 12345678;
auto f = 3.14159;
void* p = &x;
println(cout, "String: {:s}", s);	// String: Hello
					// World!
println(cout, "String(debug): {:?}", s);	// "Hello\nWorld!"
println(cout, "Character: {:c}", c);		// （見えないがタブが出力）
println(cout, "Character(debug): {:?}", c);	// '\t' 
println(cout, "Integer: {:#032b}, {:010d}, {:020o}, {:#020x}", d, d, d, d);
	// 0b000000101111000110000101001110, 0012345678, 00000000000057060516, 0x000000000000bc614e
println(cout, "Float: {:.2f}, {:e}, {:a}, {:g}", f, f, f, f);
	// 3.14, 3.141590e+00, 1.921f9f01b866ep+1, 3.14159
println(cout, "Pointer: {:p}", p);	// 0x7ff7b4220c74