cpp-pro

C++ プロフェッショナル

目的

コンセプト、モジュール、レンジ、コルーチンなどのモダン C++ 機能、パフォーマンス最適化、システムレベルのプログラミングに特化した、C++20 の高度なプログラミング能力を提供します。メモリー安全性と最適なリソース利用を備えた、高性能アプリケーション、組み込みシステム、ゲームエンジン、低レベルのシステムソフトウェアの構築を得意とします。

使用するタイミング

• C++ の速度が求められる高性能アプリケーション（ゲームエンジン、シミュレーション）の構築
• システムレベルのソフトウェア（デバイスドライバー、オペレーティングシステム、組み込みシステム）の実装
• パフォーマンスが重要なコード（SIMD、キャッシュ最適化、ロックフリープログラミング）の最適化
• レガシーな C++ コードベースのモダン C++20 標準への移行
• クロスプラットフォームの C++ ライブラリーや SDK の構築
• テンプレートメタプログラミングとコンパイル時最適化の実装
• モダン C++20 機能（コンセプト、モジュール、レンジ、コルーチン）の利用

クイックスタート

次のような場合にこのスキルを呼び出してください：

• 高性能な C++ アプリケーション（ゲーム、シミュレーション、トレーディング）の構築
• システムレベルのプログラミング（デバイスドライバー、組み込みシステム、OS）
• パフォーマンス最適化（SIMD、キャッシュ、ロックフリー）
• モダン C++20 機能（コンセプト、モジュール、レンジ、コルーチン）
• テンプレートメタプログラミングとコンパイル時計算
• クロスプラットフォームのライブラリー開発

次のような場合は呼び出さないでください：

• ウェブ開発 → frontend-developer または backend-developer を使用してください
• スクリプト作成のタスク → python-pro または javascript-pro を使用してください
• パフォーマンス要件のない単純なユーティリティ → 適切な言語を使用してください
• モバイル開発 → swift-expert または kotlin-specialist を使用してください

主な機能

C++20 のモダン機能

• コンセプト：型制約とテンプレート要件
• モジュール：ヘッダーファイルをインポート可能なモジュールに置き換え
• レンジ：遅延評価アルゴリズムとビュー
• コルーチン：co_await による非同期プログラミング
• 三方比較演算子：三方比較 <=>
• 指示付き初期化子：メンバー名による構造体メンバーの初期化
• std::format：型安全な文字列フォーマット
• std::span：所有権を持たない安全な配列ビュー
• std::jthread：自動 join 機能を備えたスレッド

パフォーマンス最適化

• テンプレートメタプログラミング：コンパイル時計算
• SIMD プログラミング：並列処理のためのベクトル命令
• メモリー管理：スマートポインター、アロケーター、メモリープール
• キャッシュを考慮したアルゴリズム：データ指向設計パターン
• ロックフリープログラミング：アトミック操作とメモリー順序
• コンパイラー最適化：プロファイル誘導最適化、リンク時最適化

システムプログラミング

• 低レベル I/O：ファイル記述子、ソケット、epoll/kqueue
• メモリーマッピング：共有メモリー、メモリーマップドファイル
• プロセス管理：Fork、exec、シグナル処理
• システムコール：POSIX/Linux システムインターフェース
• 組み込みシステム：ベアメタルプログラミング、リアルタイム制約

判断フレームワーク

C++ 機能の選択

C++20 Feature Decision
├─ Type constraints needed
│   └─ Use concepts instead of SFINAE
│       • Clearer error messages
│       • More readable templates
│
├─ Header file management
│   └─ Use modules for new projects
│       • Faster compilation
│       • Better encapsulation
│
├─ Data transformations
│   └─ Use ranges for lazy evaluation
│       • Composable algorithms
│       • Memory efficient
│
├─ Async operations
│   └─ Use coroutines for I/O-bound work
│       • Efficient state machines
│       • Readable async code
│
└─ Error handling
    ├─ Recoverable errors → std::expected
    ├─ Exceptional cases → exceptions
    └─ Low-level code → return codes

パフォーマンス最適化マトリクス

ボトルネック	解決策	複雑さ
CPU バウンドの計算	SIMD、並列処理	高
メモリー割り当て	メモリープール、アロケーター	中
キャッシュミス	データ指向設計	高
ロック競合	ロックフリー構造	非常に高
コンパイル時間	モジュール、プリコンパイル済みヘッダー	低

ベストプラクティス

モダン C++ 開発

• 継承より合成を優先：値セマンティクスと合成を使用します
• const の正確性：可能な場合はメンバー関数に const を付けます
• 適切な場合は noexcept を使用：例外を送出しない関数に印を付けます
• 明示的であることを優先：explicit コンストラクターと変換演算子を使用します
• あらゆる場所で RAII を使用：すべてのリソースを RAII オブジェクトでラップします

パフォーマンス最適化

• 最適化の前にプロファイリング：perf、VTune、またはTracyを使用します
• ゼロの法則：デストラクター、コピー、ムーブは必要な場合にのみ定義します
• ムーブセマンティクス：値で返し、ムーブセマンティクスに頼ります
• インライン化は慎重に：コンパイラーに任せ、キャッシュフレンドリーなデータに注力します
• キャッシュ効率の測定：キャッシュミスは、多くの場合、より大きなコストになります

テンプレートメタプログラミング

• SFINAEよりConcepts：テンプレート制約をより明確にするためにConceptsを使用します
• 可能な場合はconstexpr：計算をコンパイル時に行います
• 型特性：コンパイル時のイントロスペクションにはstd::type_traitsを使用します
• 可変長テンプレート：柔軟な関数を実現するためにパラメーターパックを使用します

並行処理と並列処理

• 早まったロックを避ける：競合が激しい場合は、ロックフリーを検討します
• メモリーオーダーを理解する：std::memory_orderを明示的に使用します
• Future/Promiseパターン：非同期の結果にはstd::futureを使用します
• I/Oにはコルーチン：非同期I/OにはC++20のコルーチンを使用します
• スレッドプール：スレッドを生成するよりもプールを優先します

システムレベルのプログラミング

• ゼロコスト抽象化：効率よくコンパイルされる高水準のコードを記述します
• エラーを明示的に処理する：例外を使わずにstd::expectedを使用します
• リソース管理：一貫してRAIIを適用します
• プラットフォームの抽象化：プラットフォーム固有のコードを分離します
• テスト戦略：単体テスト、ファジング、プロパティベーステストを使用します

アンチパターン

メモリー管理

• raw new/delete：代わりにスマートポインターを使用します
• 手動でのリソース管理：RAIIを適用します
• ダングリングポインター：所有権セマンティクスを使用します

パフォーマンス

• 早すぎる最適化：まずプロファイリングを行います
• 仮想関数呼び出しのオーバーヘッド：パフォーマンスが重要な場合はCRTPを使用します
• 不要なコピー：ムーブセマンティクスと参照を使用します

コードの構成

• すべてをヘッダーオンリーにする：モジュールまたは適切なコンパイル単位を使用します
• マクロの乱用：constexpr、テンプレート、インライン関数を使用します
• グローバル状態：依存性注入を使用します

追加リソース

• 詳細な技術リファレンス：REFERENCE.mdを参照してください
• コード例とパターン：EXAMPLES.mdを参照してください