テンプレートと concepts¶

一言で言うと¶

テンプレートは「型を引数にしたコードの雛形」。コンパイラが使用時に型ごとの実物のコードを生成(実体化)します。C#のジェネリックと似た見た目で仕組みは根本的に違い、実行時コストゼロ・制約は緩い(C++20のconceptsで改善)という特徴があります。

基本形¶

// C++20
template <typename T>
T Max(T a, T b) { return a < b ? b : a; }

Max(3, 5);        // コンパイラが Max<int> を生成して呼ぶ(型は引数から推論)
Max(1.5f, 2.5f);  // Max<float> も別途生成される

template <typename T, int N>       // 型以外(整数など)も引数にできる
struct FixedRing {
    T data[N];                     // サイズがコンパイル時に決まる=スタックに置ける
    // ...
};
FixedRing<int, 64> inputBuffer;    // 入力履歴64フレーム分、ヒープ確保なし

仕組み: 実体化(instantiation)¶

テンプレート自体はコードではなく雛形。Max<int>が使われて初めて、int版の関数がその翻訳単位に生成される(→ テンプレートの実体化の内部)
だからテンプレートは通常ヘッダーに全部書く(使う側が雛形を見られる必要がある)
生成後はその型専用の最適なコード: Max<int>は仮想関数もボックス化もない、手書きと同じ機械語。これが「ゼロコスト抽象化」の代表例(→ 最適化)

代償¶

コンパイル時間: 使うたびに生成・最適化(→ ビルドが遅い理由)
コードサイズ: 型の数だけ複製(テンプレートブロート)
エラーメッセージ: 制約なしだと、実体化の奥深くで失敗し数百行のエラーになる(conceptsで改善)

concepts(C++20)¶

「この型はこういう操作ができること」という制約を宣言する仕組みです。

// C++20(GCC 10+/MSVC 2019+。本Wikiの検証環境GCC 9.2では未検証 — 構文はcppreference準拠)
#include <concepts>

template <typename T>
concept Damageable = requires(T& t, int amount) {
    { t.TakeDamage(amount) };                  // TakeDamage(int)が呼べること
    { t.IsDead() } -> std::convertible_to<bool>;
};

template <Damageable T>                        // 制約付きテンプレート
void ApplyExplosion(std::vector<T>& targets, int damage) {
    for (auto& t : targets)
        if (!t.IsDead()) t.TakeDamage(damage);
}
// 制約を満たさない型を渡すと「DamageableじゃないB」と一行で怒られる(以前は数百行)

conceptsはダックタイピングの明文化です。仮想関数のインターフェースと違い、実行時コストなし・基底クラス不要で「この操作ができる型なら何でも」を表現します。

テンプレート vs 仮想関数(使い分けの本丸)¶

	テンプレート	仮想関数(インターフェース)
決定時期	コンパイル時	実行時
実行時コスト	ゼロ(型ごとに最適コード)	間接呼び出し+インライン化阻害
異なる型を1つのリストに	不可(vectorは1つのT)	可能(vector>)
実行中の差し替え	不可	可能
コンパイル時間・コードサイズ	増える	増えない
エラー	コンパイル時(conceptsで読みやすく)	実行時まで分からないことも

「実行時に型が混ざる・切り替わるなら仮想関数、コンパイル時に決まるならテンプレート」が基本判断(→ 判断ガイド)。

C#のジェネリックとの違い(重要)¶

	C# ジェネリック	C++ テンプレート
実体	1つのILコード+実行時の型情報(参照型は共有、値型はJITが特殊化)	型ごとにコンパイル時生成(常に特殊化)
制約	`where T : IComparable`(宣言必須)	制約なしでも書ける(C++20 conceptsで任意に宣言)
`T`にできること	制約で宣言した操作のみ	書いてあれば何でも(実体化時に検査)
数値を型引数に	不可(C# 11以前)	可能(`FixedRing<int, 64>`)
コンパイル	使う側と別アセンブリでOK	定義がヘッダーで見えている必要

C#で T.TakeDamage() を呼ぶには interface制約が必須ですが、C++は「実体化した型にその関数があれば通る」——強力ですが、制約がドキュメント化されない問題があり、conceptsはその明文化手段です。

Unity開発者が誤解しやすい点¶

List<T> の感覚で「テンプレートは1つのコードを共有」と思う——C++は型ごとに完全なコピーを生成。100型で使えば100個の関数ができる(ビルド時間とサイズに跳ね返る)
C#のジェネリックは実行時にも型情報が残る(typeof(T))が、C++のテンプレートはコンパイル後は消える(実行時に「これはMaxだ」という情報はない。RTTIとは別物)
IL2CPPはC#ジェネリックを結局C++テンプレート的な特殊化に落とす(→ 第9部)——AOTでの「ジェネリック実体化漏れ」問題の背景

ゲーム開発での使用例¶

数学ライブラリ(Vec<T,N>)、固定長コンテナ(リングバッファ、小容量vector)
Object Pool<T>、ハンドル<T>などの基盤部品
コンパイル時文字列ハッシュ、ECSの型リスト処理(上級)
エンジンコードでの多用(STL自体、UEのTArray等)

使う場面 / 使わない場面¶

使う: 複数の型で同一のロジック(コンテナ、アルゴリズム、数学)。実行時コストが許されない基盤
使わない: 型が1つしかない(具体型で書く)、実行時の差し替えが要る(仮想関数)、チームのC++習熟度が低い箇所での高度なメタプログラミング(可読性が死ぬ)。「テンプレートで書ける」と「書くべき」は別

よくある誤解¶

「テンプレートは上級者の道具で避けるべき」— std::vector<T>を使う時点で毎日使っている。書くのは基盤部品のときだけで、使うのは日常
「テンプレートは遅い」— 実行は最速クラス。遅いのはコンパイル

理解度チェック¶

「実体化」とは何がいつ起きることですか。
C#ジェネリックとの最大の仕組みの違いは?
conceptsが解決する2つの問題(エラーメッセージ/契約の明文化)を説明してください。

演習¶

samples/templates_basic.cpp(検証済み: 関数テンプレート+非型引数のリングバッファ)を拡張し、Clamp<T>(v, lo, hi) を追加してください。int/float両方で動くこと、sizeofの異なる型でもコードが「それぞれ生成される」ことを意識して確認してください。

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