C++26 Executionライブラリ（基礎編）

C++2c(C++26)標準ライブラリに追加される実行制御ライブラリ(execution control library)についてメモ。別名：std::execution, Senders/Receivers(S/R)

2025年5月現在、ベースライン提案文書P2300R10までを採択済み。
2025-07-20追記：2025年6月会合にて関連する一連の提案文書P2079R10,
P3149R11, P3284R4, (PDF)P3433R1, P3481R5, P3552R3, P3557R3, P3570R2, (PDF)P3682R0が採択された。

汎用的な非同期処理フレームワークを構成するコンセプト(concept)や、基本的な操作CPO(Customization Point Object)（→id:yohhoy:20190403）を定義する。*1
非同期処理ビルディングブロックとしてのSenderアルゴリズムを定義する。→ id:yohhoy:20250612
C++コルーチンとSenderの相互運用をサポートする。→ id:yohhoy:20250613

// C++2c
#include <execution>
#include <print>
namespace exec = std::execution;

// タスクチェインを構成
exec::sender auto work =
  exec::just(2, 3)
  | exec::then([](int a, int b) {
      return a * b * 7;
    });
// 呼び出しスレッド上で同期的にタスク実行
auto result = std::this_thread::sync_wait(work);
// 結果値を取り出す
auto [value] = result.value();
// value == int型の値42

CPU並列処理を実現するスレッドプール機構や、コルーチン非同期タスク型といった応用機能は~~検討進行中~~。GPU/CUDA並列処理のようなベンダ拡張機能では、非同期処理フレームワークに則ったサードパーティ実装が提供される。*2

2025-07-20追記：システムスレッドプールのSchedulerを返すexecution::get_parallel_scheduler関数［P2079R10］と連携してCPU並列処理を行うSenderアダプタexecution::bulkファミリ［P3481R5］、Sender互換コルーチン戻り値型として利用する非同期タスクexecution::task<T>クラス［P3552R3］が採択済み。

実行制御ライブラリ

C++2c実行制御ライブラリでは、非同期(asynchronous)・並行(concurrent)／並列(parallel)処理を統合的に扱うフレームワークを規定する。ライブラリ仕様は非同期処理を実現する枠組みとして記述され、並行／並列処理は具体的なScheduler実装によって実現される。（例：CPUスレッドプール、GPGPU/CUDA処理をサポートするScheduler）

<execution>ヘッダ（C++17追加ヘッダを拡張）
- 名前空間std::execution（C++17名前空間にエンティティ追加）
- 一部機能のみ名前空間stdやstd::this_thread以下に定義（後者はC++11<thread>ヘッダ定義の名前空間と同名）
基本コンセプト
- execution::sender
- execution::receiver
- execution::operation_state
- execution::scheduler
基本操作（CPOとして定義）
- execution::connect：(sender, receiver) -> operation_state
- execution::start：(operation_state) -> void
- execution::schedule：(scheduler) -> sender
- execution::set_value：(receiver, values...) -> void
- execution::set_error：(receiver, err) -> void
- execution::set_stopped：(receiver) -> void
プロパティ問い合わせ(queries)
- 標準クエリオブジェクト（CPOとして定義）
- クエリ可能オブジェクト == Sender属性, Receiver環境, Scheduler
- クエリ可能オブジェクトの実装ヘルパ型execution::env, execution::prop
Senderアルゴリズム（CPOとして定義）→ id:yohhoy:20250612
- Senderファクトリ：(args...) -> sender
- Senderアダプタ：(sender, args...) -> sender
- Senderコンシューマ：(sender) -> result
- 実行ドメイン == Senderアルゴリズムのカスタマイズ機構
- Senderアルゴリズムの実装ヘルパ型execution::sender_adaptor_closure
C++コルーチンサポート → id:yohhoy:20250613
- 任意のコルーチンAwaitable型をSenderとして扱える（execution::connectCPO内部動作）
- Senderをコルーチン内で利用可能にする実装ヘルパ型execution::with_awaitable_senders

基本コンセプト: Sender, Receiver, Operation State

非同期操作(asynchronous operation)
- 明示的に作成され、1回だけ明示的に開始(start)でき、最終的に3種類いずれかの完了(completion)に到達する。
- 値完了(value completion)：非同期操作の “成功”。0個以上の任意型の値。
- エラー完了(error completion)：非同期操作の “失敗”。1個の任意型のエラー値。
- 停止完了(stopped completion)：非同期操作の “キャンセル”。付帯情報なし。
Operation State：execution::operation_state concept
- 非同期操作に関連付けられる状態オブジェクト。
- Operation Stateはコピー／ムーブともに不可。*3
- メンバ型operation_state_conceptでタグ型operation_state_tを宣言。
- 開始操作execution::startCPOから呼ばれるstartメンバ関数を定義。
Sender：execution::sender concept
- 1つ以上の非同期操作のファクトリ。
- メンバ型sender_conceptでタグ型sender_tを宣言。
  - 2025-07-20追記：LWG4202にてenable_sender変数テンプレート特殊化を用いて非侵襲的に任意の型をSenderにアダプト可能となる。
- SenderとReceiverとを接続(connect)してOperation Stateを生成。
- 接続操作execution::connectCPOから呼ばれるconnectメンバ関数を定義。
Receiver：execution::sender concept
- 非同期操作の値完了／エラー完了／停止完了を受け取るハンドラの集合体。
- メンバ型receiver_conceptでタグ型receiver_tを宣言。
- 完了操作execution::set_{value,error,stopped}CPOから呼ばれる完了ハンドラset_{value,error,stopped}メンバ関数を定義。
完了シグネチャ(completion signature) == 完了ハンドラの型情報*4
- 値完了：execution::set_value_t(Values...)
- エラー完了：execution::set_error_t(Err)
- 停止完了：execution::set_stopped_t()
- 完了シグネチャ集合をexecution::completion_signatures<Sigs...>で表現。
- Sender／Receiverは少なくとも1個の完了シグネチャに対応する。Sender完了シグネチャ集合 ⊆ Receiver完了シグネチャ集合ならば、両者は接続(connect)可能。*5
- 2025-08-23追記：P3557R3採択後のSender完了シグネチャ集合の宣言方法は id:yohhoy:20250823 を参照。

exec::sender auto sndr = /* Senderオブジェクト */
exec::receiver auto rcvr = /* Receiverオブジェクト */
// SenderとReceiverを接続(connect)
exec::operation_state auto op = exec::connect(sndr, rcvr);
// 非同期操作の開始(start)
exec::start(op);
// 非同期操作完了時にexec::set_{value,error,stopped}を呼び出し、
// rcvrで定義する完了ハンドラのいずれか1つが呼び出される。
// （Receiverが受け取った結果値の取り出しは別機構で実現する。）

基本コンセプト: Scheduler

実行エージェント(execution agent)：タスクを並列実行する機構（例：CPUスレッドstd::thread、GPU/CUDAスレッド）。
実行リソース(execution resource)：実行エージェントの集合を管理するエンティティ（例：CPUスレッドプール、CUDAスレッド管理）
Scheduler：execution::scheduler concept
- 実行リソース上でタスク実行をスケジュールするためのインタフェースかつ軽量ハンドル。*6
- メンバ型sender_conceptでタグ型sender_tを宣言。
- スケジュール操作execution::scheduleCPOから呼ばれるscheduleメンバ関数を定義。
完了Scheduler(completion scheduler)
- 非同期操作の値完了／エラー完了／停止完了を実行するScheduler。完了種別毎に異なる可能性あり。
スケジュールSender(schedule sender)
- execution::scheduleCPO呼び出しで得られるSender。Scheduler上で空の値を用いて値完了を実行する。
execution::run_loop型
- シングルCPUスレッドでのタスクFIFO処理を行う実行リソース。

exec::scheduler auto sch = /* Schedulerオブジェクト */
// スケジュールSenderを作成
exec::sender auto sndr = exec::schedule(sch);

exec::receiver auto rcvr = /* Receiverオブジェクト */
exec::operation_state auto op = exec::connect(sndr, rcvr);
exec::start(op);
// sch上でrcvrに対して値完了rcvr.set_value()が呼ばれる

クエリ可能オブジェクト／クエリオブジェクト

クエリ可能オブジェクト(queryable object)
- 読み取り専用のKey−Valueデータ集合。Key==クエリオブジェクト、Valueは任意型。
- Senderに関連付けられた属性(attributes)、Receiverに関連付けれた環境(environment)（execution::get_envCPO）
- Schedulerオブジェクト自身
クエリオブジェクト(query object)
- 問い合わせ(query)操作を行うCPO 兼クエリ可能オブジェクトの Key。
- Sender／Receiver／Schedulerに関連付けられたプロパティ(property)値を取得。
標準クエリオブジェクト
- forwarding_query：Senderアルゴリズム間のクエリ転送可否を問い合わせ。
- get_allocator：メモリアロケータを問い合わせ。
- get_stop_token：非同期キャンセル（→id:yohhoy:20250625）のための停止トークンを問い合わせ。
- execution::get_domain：Sender動作カスタマイズのための実行ドメインを問い合わせ。
- execution::get_(delegation_)scheduler：Receiverへ関連付けられたSchedulerを問い合わせ。
- execution::get_forward_progress_guarantee：Schedulerへ前方進行保証を問い合わせ。
- execution::get_completion_scheduler<completion-tag>：Senderへ完了Schedulerを問い合わせ。
- execution::get_await_completion_adaptor：Senderへco_awaitオペランド指定時の型変換を問い合わせ。［P3570R2］
execution::env：複数のクエリ可能オブジェクトを合成。［P3325R5］
execution::prop：単一Key−Valueに対応した最小のクエリ可能オブジェクト。［P3325R5］

exec::receiver auto rcvr = /* Receiverオブジェクト */
// Receiver環境を取得
auto env = exec::get_env(rcvr);
// メモリアロケータを問い合わせ
auto alloc = std::get_allocator(env);

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実行制御ライブラリ

基本コンセプト: Sender, Receiver, Operation State

基本コンセプト: Scheduler

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