不可解計画

　使い方から先に書くと、以下のような感じになる。

int n = LittleEndian::ConvertTo<BigEndian>( 0x12345678 );

　このことからわかるのは、クラス LittleEndian にクラススコープのメンバ関数テンプレートがあり、テンプレート引数に BigEndian を渡してエンディアン変換をしているということだ。実際には、LittleEndian および BigEndian は typedef であり、以下のように定義されている。

typedef Endian<__LITTLE_ENDIAN> LittleEndian;
typedef Endian<__BIG_ENDIAN>    BigEndian;

　つまり、Endian というクラステンプレートがあり、その内部にメンバ関数テンプレートとして ConvertTo() があるわけだ。で、この __LITTLE_ENDIAN と __BIG_ENDIAN とはなにか。これは、endian.h にある数値で、バイトオーダーを表現している。

#define __BIG_ENDIAN    4321
#define __LITTLE_ENDIAN 1234

　ちなみに、endian.h ではマシンのバイトオーダーを __BYTE_ORDER として定義しているので、以下の定義によりマシンのエンディアンを取得できる。

typedef Endian<__BYTE_ORDER> MachineEndian;

　ここまでで、Endian クラステンプレートの定義が見えてくる。以下のような感じだ。

template<int BYTEORDER>
struct Endian {
  static const int byte_order = BYTEORDER;
  template<typename ENDIAN>
  static inline int ConvertTo( int n );
};

　static const int byte_order がここでのキモだ。これをコンパイラが定数として扱うことで、コンパイル時点でできる計算をかなり増やすことができる。

　ここで少し脱線すると、こいつは little endian と big endian だけでなく、他のバイトオーダーも扱うことができる。例えば以下のように。

typedef Endian<3412> PDPEndian;

　で、問題はメンバ関数テンプレートである ConvertTo の実装だ。これは、以下のようになる。

template<int BYTEORDER>
template<typename ENDIAN>
inline int Endian<BYTEORDER>::ConvertTo( int n ) {
  return __ConvertEndian( n, Endian<BYTEORDER>(), ENDIAN() );
};

　これは、変換元と変換先の Endian クラスをタグディスパッチに使うことで、__ConvertEndian() の関数オーバーロードを使用して処理を振り分けている。このオーバーロードによって LittleEndian、BigEndian、それ以外の相互変換を個別に実装しているのだ。最初はメンバ関数テンプレート ConvertTo() 自体を特殊化しまくって対処しようと考えていたのだが、いかんせんメンバ関数自体のパラメータは int だけなので断念したような次第。

　例えば、little to big の変換では、以下のような __ConvertEndian() になる。これは一番素直な変換だ。

inline int __ConvertEndian( int val, LittleEndian, BigEndian ) {
  return ( ( val & 0xFF000000 ) >> 24 ) |
         ( ( val & 0x00FF0000 ) >>  8 ) |
         ( ( val & 0x0000FF00 ) <<  8 ) |
         ( ( val & 0x000000FF ) << 24 );
};

　ちなみに、変換元と変換先のバイトオーダーが等しい場合、なにもしないようにオーバーロードされている。だから例えば、MachineEndian が LittleEndian に等しいことに気付いていなくても、以下のコールは安全だ。

int n = MachineEndian::ConvertTo<LittleEndian>( 0x12345678 );

　そして、もうひとつだけ例をあげておこう。little endian から little でも big でもないエンディアンに変換する場合のオーバーロードだ。

template<typename TO>
inline int __ConvertEndian( int val, LittleEndian, TO ) {
  union { int val; char ch[4]; } wk;
  wk.ch[3] = ((char*)&val)[( TO::byte_order      %10)-1];
  wk.ch[2] = ((char*)&val)[((TO::byte_order/  10)%10)-1];
  wk.ch[1] = ((char*)&val)[((TO::byte_order/ 100)%10)-1];
  wk.ch[0] = ((char*)&val)[((TO::byte_order/1000)%10)-1];
  return wk.val;
};

　なんだか複雑そうに見えるが、重要なのは変換対象である val 以外は全て定数ということだ。つまり、これは計算のほとんどをコンパイル時点でやってしまえる。昨日試した限りでは、配列解釈による転置よりもビットシフトで実装する方が速いが、このような変換でも同じように実装することが可能だろう。

　ひとまずこんなところだが、冷静に考えるとまだまだ改善の余地があるような気がしてくる。全てをビットシフトでなんとかでき、計算の多くをコンパイル時点にやってしまえるなら、ConvertTo からタグディスパッチを使って __ConvertEndian のたくさんのオーバーロードの中から処理を選ぶ必要などないのかもしれない。そこのところを上手く書くことができれば、同じ効率でも実装はもっと短くなる。