未定義の動作が C の定数式から除外されるのはなぜですか?

定数式における未定義の動作の除外を理解する

C ドラフト標準では、定数式はプログラムの正確性を保証する上で極めて重要な役割を果たします。ただし、この領域内では、未定義の動作に対して特別な例外が存在します。このため、次のような疑問が生じます。なぜこの除外が必要であり、この除外によってどのような独自の機能が提供されるのでしょうか?

除外の本質

定数式の定義、セクション 5.19.2標準草案では、未定義の動作を伴う可能性のある特定の演算を部分式コンポーネントとして禁止することが規定されています。これには、符号付き整数のオーバーフロー、特定のポインター演算、ゼロによる除算、および特定のシフト演算が含まれます。

この除外は、定数式がそのデータ型で表現可能な値の範囲内で数学的に明確に定義された結果を生成するという要件に由来します。操作に未定義の動作の固有のリスクがある場合、この要件を満たすことができないため、定数式の整合性を維持するためにその操作を除外する必要があります。

除外の利点

定数式で未定義の動作を除外すると、いくつかの利点が得られます。利点:

• コンパイル時の検出: 定数式はコンパイル時に評価されます。この除外により、定数式に関連付けられた未定義の動作がコンパイル中に確実に検出され、報告されます。
• 正確性の検証: 定数式での未定義の動作を禁止することで、コンパイラは定数式の数学的正確さを保証できます。これらの式を使用すると、プログラム全体の信頼性が向上し、実行時エラーの可能性が減ります。

実用的アプリケーション

除外を利用することで、開発者は SFINAE を利用して、加算式がオーバーフローを引き起こす可能性があるかどうかを識別できます。たとえば、dyp によって提案されたソリューションからインスピレーションを得た次のコードは、この手法を示しています。

template <typename T1, typename T2>
struct addIsDefined
{
    template <T1 t1, T2 t2>
    static constexpr bool isDefined()
    {
        return isDefinedHelper<t1, t2>(0);
    }

    template <T1 t1, T2 t2, decltype(t1 + t2) result = t1 + t2>
    static constexpr bool isDefinedHelper(int)
    {
        return true;
    }

    template <T1 t1, T2 t2>
    static constexpr bool isDefinedHelper(...)
    {
        return false;
    }
};

この構造により、開発者はコンパイル時に潜在的なオーバーフローを効果的に検出できるようになり、コードの安全性が向上します。

より広範な意図の表示

セクション 5.19.2 の文言定数式における未定義の動作の検出を明示的に義務付けているわけではありませんが、問題 695 (constexpr 関数のコンパイル時の計算エラー) は、委員会の意図についての洞察を提供します。この問題は、定数式での未定義の動作は非定数式をもたらし、その後の診断は定数式を必要とするコンテキストでの使用から生じることを示唆しています。

結論

定数式から未定義の動作を除外することは、プログラムの正確性を維持し、信頼性の高いコードを容易にする上で重要な役割を果たします。この除外により、コンパイラはコンパイル中に未定義の動作を検出して修正できるようになり、開発者はオーバーフロー検出に SFINAE を利用できるようになります。この除外と定数式におけるその意味を理解することは、コードの安全性を強化し、堅牢なソフトウェア開発を保証するために不可欠です。

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