C++の基礎 - タプル

概要

C++のタプルは、異なる型の要素を固定長で格納できるコンテナ型である。
C++11から導入された機能であり、std::tupleとして実装されている。

最大の特徴は、複数の異なる型の値を1つの単位として扱えることである。
例えば、整数、文字列、浮動小数点数といった異なる型の値を1つのタプルにまとめることができる。

関数やメソッドから複数の値を返すこともできる。
従来の方法では、参照引数を使用する等の工夫が必要であったが、タプルを使用すれば複数の値を直接返却できる。

C++17からは構造化束縛という機能も導入されており、タプルの要素を簡単に個別の変数に分解できるようになった。
これにより、可読性の高いコードを記述することができる。

また、std::tieを使用することにより、既存の変数にタプルの値を展開、タプル同士の比較を行うことも可能である。

ただし、要素数は固定長であり、実行時に要素数を変更することはできないという制約がある。
この点は、可変長のコンテナ型であるvectorやlistとは異なる。

タプルは、複数の戻り値が必要な関数の実装、または、複数の値をまとめて扱う必要がある場合に有効となる。

タプルの作成

 #include <tuple>
 
 std::tuple<int, std::string, double> t = {1, "hello", 3.14};

 // std::make_tupleメソッドを使用して作成する例
 
 #include <tuple>
 #include <iostream>
 #include <string>
 
 void print_person(const std::tuple<std::string, int>& person)
 {
    // std::getメソッドを使用して要素にアクセス
    std::cout << "名前: " << std::get<0>(person) << ", 年齢: " << std::get<1>(person) << std::endl;
 }
 
 int main()
 {
    // std::make_tupleを使用して作成
    // これは、型を明示的に記述する必要がない
    auto person = std::make_tuple("佐藤花子", 25);
    print_person(person);
 
    return 0;
 }

要素へのアクセス

 #include <tuple>
 
 int  first = std::get<0>(t);            // インデックスによるアクセス
 auto str   = std::get<std::string>(t);  // 型によるアクセス

std::tieを使用した比較や代入

 #include <tuple>
 
 int         x;
 std::string y;
 double      z;
 
 std::tie(x, y, z) = t;  // タプルの要素を既存の変数に展開

特定の要素の破棄

不要な要素の位置に、std::ignoreを指定することにより、その要素の値は破棄される。

例えば、関数やメソッドが3つの値を返すタプルを返却する場合、2番目の値だけが必要な場合は、1番目と3番目の要素をstd::ignoreで指定することにより、必要な値だけを取得できる。
これにより、不要なメモリ使用を避けつつ、必要な値だけを効率的に取得することができる。

 std::tuple<int, std::string, double> func()
 {
    return {1, "hello", 3.14};
 }
 
 int main()
 {
    int         x;
    std::string ignored;
    double      z;
 
    // 2番目の要素を破棄
    std::tie(x, std::ignore, z) = func();
 }

タプルの連結

 #include <tuple>
 #include <iostream>
 #include <string>
 
 int main()
 {
    // tuple_catメソッドを使用して複数のタプルを1つに結合
    auto tuple1 = std::make_tuple(1, "A");
    auto tuple2 = std::make_tuple(2.5, true);
    auto combined = std::tuple_cat(tuple1, tuple2);
 
    return 0;
 }

構造化束縛による要素の分解 (C++17以降)

 // 構造化束縛による要素の分解の例
 
 #include <tuple>
 #include <iostream>
 #include <string>
 
 // タプルを返す関数
 std::tuple<int, std::string, bool> get_user_data()
 {
    return {42, "山田太郎", true};
 }
 
 int main()
 {
    // 各要素を個別の変数に分解
    auto [id, name, is_admin] = get_user_data();
 
    return 0;
 }

タプルサイズの取得

 #include <tuple>
 #include <iostream>
 #include <string>
 
 int main()
 {
    // コンパイル時に要素数を取得
    constexpr size_t size = std::tuple_size<decltype(combined)>::value;
    std::cout << "タプルのサイズ: " << size << std::endl;
 
    return 0;
 }

特定の型の要素を取得 (型を指定した要素へのアクセス)

 #include <tuple>
 #include <iostream>
 #include <string>
 
 int main()
 {
    auto tuple1 = std::make_tuple(1, "A");
    auto tuple2 = std::make_tuple(2.5, true);
    auto combined = std::tuple_cat(tuple1, tuple2);
 
    // 型を指定して要素にアクセス
    std::string str = std::get<std::string>(combined);
 
    return 0;
 }

タプル同士の比較

 #include <tuple>
 #include <iostream>
 #include <string>
 
 int main()
 {
    auto t1 = std::make_tuple(1, "test");
    auto t2 = std::make_tuple(1, "test");
    bool is_equal = (t1 == t2);  // 全要素を比較
 }

外部プロセスから構造化データを受け取る

C++のmain関数の戻り値は、規格上、int型に限定されている。
そのため、tuple型を直接戻り値とすることはできない。

外部プロセスの戻り値も同様、一般的なOSではint型 (終了コード) のみを返す。

もし、外部プロセスからタプル型のデータを受け取る場合、以下に示すような方法がある。

• 構造化データをファイルやパイプを通じて受け渡す。
• 環境変数を使用する。
• 標準出力に構造化データ (JSON等) を出力して、親プロセスで解析する。

標準出力を使用する場合

この方法では、JSON形式でデータを受け渡すことで複数の値を構造化して取得することができる。

 #include <cstdio>
 #include <string>
 #include <array>
 #include <nlohmann/json.hpp>
 
 std::tuple<int, char, std::string> execute_piyo()
 {
    std::array<char, 128> buffer;
    std::string           result;
 
    // 外部プロセスの実行
    FILE* pipe = popen("./piyo", "r");
    while (fgets(buffer.data(), buffer.size(), pipe) != nullptr) {
        result += buffer.data();
    }
 
    // JSON形式のデータの取得
    int status = pclose(pipe);
 
    // JSON形式のデータの解析
    auto j = nlohmann::json::parse(result);
 
    return std::make_tuple(
       j["code"].get<int>(),
       j["character"].get<char>(),
       j["message"].get<std::string>()
    );
 }
 
 int main()
 {
    auto sample = execute_piyo();
    std::cout << "code: "        << std::get<0>(sample) 
              << ", character: " << std::get<1>(sample)
              << ", message: "   << std::get<2>(sample)
              << std::endl;
 
    return 0;
 }

 // これは、外部プロセスとして実行される
 
 #include <iostream>
 #include <nlohmann/json.hpp>
 
 int main()
 {
    nlohmann::json result = {
       {"code", 1},
       {"character", 'a'},
       {"message", "hello"}
    };
 
    // 標準出力 (送信するJSON形式のデータ)
    std::cout << result.dump() << std::endl;
 
    return 0;
 }