Java ジェネリクス入門 2024

JJUG CCC 2024 Fall で発表したジェネリクス入門セッションの資料です。
ジェネリクスの基本的な構文と、変性について解説し、Stream API のjavadocが雰囲気で理解できるようになるぐらいを目標にしています。

Transcript

1. Java ジェネリクス⼊⾨ 2024 株式会社クレディセゾン テクノロジーセンター なぎせゆうき @nagise
2. 2 Good morning ! #jjug_ccc_a 2024/10/27 10:00 〜 10:45
3. 富⼭県出⾝ 富⼭市在住 株式会社 クレディセゾン 株式会社 凪瀬アーキテクツ 主なジャンル •Java⾔語仕様 ◦ https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html •書籍 Effective Java の解説ポッドキャスト Tsundokanai Radio ◦ https://podcasters.spotify.com/pod/show/dokanai/ •Javaのジェネリクス •⽇本の旧暦のライブラリ(開発中) •Blog : プログラマーの脳みそ •Burikaigi (富⼭で1⽉末~2⽉頭で⾏われるカンファレンス) ⾃⼰紹介 なぎせゆうき X (Twitter) @nagise
4. ⽬標 • Stream API のドキュメントの意味が雰囲気で分かるぐらい • 主にAPIを利⽤するポジションの⼈を想定 範囲外 • ジェネリクスを⽤いたクラス設計・メソッド設計には踏み込まない 今⽇の⽬標
5. • 1973年 ML⾔語 によってジェネリックプログラミングが開拓 • 1977年 Ada に搭載 • 1993年 C++ の STL (Standard Template Library) がANSI/ISO委員会に提出 • 1995年 Java 登場 ◦ 当初から検討はされていたがリリースに間に合わず⾒送り • 2002年 五⼗嵐淳 On Variance-Based Subtyping for Parametric Types • 2003年 Scala 登場 • 2004年 Java 5 にてジェネリクスが搭載 • 2005年 C# バージョン 2.0 でジェネリクス搭載 • 2011年 Kotlin 登場 • 2011年 Java 7 ダイヤモンド演算⼦が追加 • 2014年 Java 8 ラムダ式が追加 • 2018年 Java 10 varによる変数宣⾔ • 20XX年 Project Valhalla ? ジェネリクス関連の歴史トピックス
6. List<String> list = new ArrayList<String>(); list.add("甲"); list.add("⼄"); String s0 = list.get(0); Listのメソッドの定義 boolean add(E e) E get(int index) ジェネリクスの使⽤例
7. List list = new ArrayList(); list.add("⼦"); list.add("丑"); Integer i = (Integer) list.get(0); //キャスト必須 実⾏時にClassCastException コンパイル時点でヒューマンエラー を検出できない ジェネリクスは単なるキャストのシンタックスシュガーではない 古代のJavaのコード(〜2004年 Java 5 より前)
8. Java 5 より前の時代のソースコードもコンパイルできるように するため List list = new ArrayList(); ただし、現代のIDEだとおおよそ警告が出るハズ 基本的に避けるべき §4.8. Raw Types raw型
9. 型変数 (§4.4. Type Variables) 型そのものを変数に⼊れて扱う ListのjavadocではList<T> 型変数名は慣習として アルファベット1⽂字が多い あるいは⼤⽂字スネークケース 標準APIでも java.util にPrimitiveIterator<T, T_CONS> といった利⽤例もある。⾔語仕様的には⽇本語名でも可(§3.8. Identifiers) 型変数
10. • ある範囲で区切ってIN/OUTの型の 関係性を型変数で抽象化して表す • 「型が違うけど同じような処理」を 共通化することができる 簡単なメソッドスコープのジェネリクス から解説をします 超概論ジェネリクス
11. java.util.Collections クラスより リスト内に出現する指定された値を すべてほかの値に置き換えます。 public static <T> boolean replaceAll (List<T> list, T oldVal, T newVal) ３つの引数がList<T>型、 T型、 T型という関係性 メソッドスコープのジェネリクス
12. java.util.Collections クラスより 指定されたオブジェクトだけを格納している 不変のセットを返します public static <T> Set<T> singleton(T o) 引数がT型で、戻り値がSet<T>型という関係性 メソッドスコープのジェネリクス
13. java.util.Collections クラスより デフォルトの乱数発生の元を使用して、 指定されたリストの順序を無作為に入れ替えます。 public static void shuffle(List<?> list) 引数１つだけなので関連性を示す必要がない メソッドスコープのジェネリクス
14. ジェネリックメソッド • メソッドの引数と戻り値の型の 関係を表す • メソッドの複数の引数の型の関 係を表す • このスコープの型変数はメソッ ド内だけで有効 メソッドスコープのジェネリクス
15. • 複数のメソッド間の引数・戻り値の 型の関係性 • 公開されているフィールド • 内部クラス new するタイミングで型変数の具体的 な型を指定する（型変数のバインド） インスタンス単位で別のバインド new ArrayList<String>(); new ArrayList<Integer>(); インスタンススコープのジェネリクス
16. java.util.ArrayListの例 public boolean add(E e) public E get(int index) 複数のメソッド間で型の関連性を表現している ジェネリックなインスタンスの例
17. ArrayList の iterator() はエンクロージング内部クラス Itr を返す public Iterator<E> iterator() { return new Itr(); } 内部クラス Itr の宣⾔はこんな感じ。ArrayListの <E> を Iterator<E> としてバインドして使っている public class ArrayList<E> /** いろいろ略 */ { private class Itr implements Iterator<E> { … } } インスタンスに紐づく内部クラスへの波及 ArrayList<String> Itr implements <String> 発展的内容
18. public class Syntax<T> implements Iterable<String> { public <X> void hoge(X x) { List<X> list = new ArrayList<X>(); list.add(x); } @Override public Iterator<String> iterator() { return null; } } 似て非なる＜＞を色分けしてみました ⽂法の話
19. 型変数の宣⾔ class Hoge<T>{} // インスタンススコープ public <T> void hoge() {} // メソッドスコープ 型変数のバインド new ArrayList<String>(); // new でのバインド class StringList extends ArrayList<String> {} // 継承でのバインド Collections.<String> replaceAll(list, "hoge", "piyo"); // メソッドでのバインド パラメータ化された型 （parameterized type） List<String> list; 3種の＜＞
20. ジェネリッククラスの例 java.util.ArrayList より 宣⾔側 public class ArrayList<E> /*略*/ {} 利⽤側でバインド List<String> list = new ArrayList<String>(); 推論 List<String> list = new ArrayList<>(); 型変数の宣⾔とバインド
21. 継承によるバインド class StringList extends ArrayList<String> 継承の際に型変数をバインドすることもできる class StringKeyMap<V> extends HashMap<String, V> 型変数の宣⾔とバインド
22. ジェネリックメソッドの例 java.util.Collections より 宣⾔側 public static <T> boolean replaceAll (List<T> list, T oldVal, T newVal) 利⽤側 Collections.<String>replaceAll(list, "hoge", "piyo"); 推論 Collections.replaceAll(list, "hoge", "piyo"); 型変数の宣⾔とバインド
23. ジェネリックメソッド、複数型変数の例 java.util.Collections より 宣⾔側 public static <K, V> Map<K, V> singletonMap(K key, V value) 利⽤側 Collections.<String, Integer>singletonMap("hoge", 123); 推論 Collections.singletonMap("hoge", 123); 型変数の宣⾔とバインド
24. インスタンススコープとメソッドスコープ併⽤の例 java.util.Optional<T> 宣⾔側 public <U> Optional<T> map(Function<? super T, ? extends U> mapper) 利⽤側 Optional<Integer> optI = Optional.<Integer>of(123); Optional<String> optS = optI.<String>map( (Integer i) -> i.toString()); 推論 var optI = Optional.of(123); var optS = optI.map( (i) -> i.toString()); 型変数の宣⾔とバインド 発展的内容
25. 「パラメータ化された型」§4.5. Parameterized Types 変数宣⾔時の型で出てくる<> List<String> stringList = List.of("甲","⼄","丙"); パラメタライズドタイプではワイルドカードが使える List<?> someList; List<? extends Hoge> extendsList; List<? super Hoge> superList; 詳細は後ほど パラメタライズドタイプ
26. T 型のオブジェクト x に関して真となる属性を q(x) とする。 このとき S が T の派⽣型であれば、 S 型のオブジェクト y について q(y) が真となる。 端的に⾔えば、親クラスは⼦クラスで代替できる。 ⼦クラスは親クラスの機能を全て代替できなけれ ばならない。 リスコフの置換原則 計算機科学博⼠ バーバラ・リスコフ 1939年〜
27. Javaは変数の代⼊は共変（covariant）なので Integer integer = Integer.valueOf(123456); Number number = integer; といったように、親の型の変数に⼦の型の変数を代⼊することができる 逆は無条件ではできなくて明⽰的なキャストが必要、 かつ実⾏時例外も出る Number number = Integer.valueOf(123456); Integer integer = (Integer) number;// 常に成功するとは⾔えない Javaの変数は基本的に共変
28. このパターンはOK ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>(); List<String> list = arrayList; このパターンはNG List<Integer> integerList = List.of(123); List<Number> numberList = integerList; // NG パラメタライズドタイプと共変・⾮変 なんでだろう？ 型の不⼀致: List<Integer> から List<Number> には変換できません
29. パラメタライズドタイプの型変数部分が共変だとダメな例 飲⽤ボトル<粉ミルク> 哺乳瓶 = new 飲⽤ボトル<粉ミルク>(); 飲⽤ボトル<飲料> ボトル = 哺乳瓶; // 実際はNG ボトル.add (new ウイスキー()); パラメタライズドタイプと共変・⾮変
30. このパターンはOK 型識別⼦部分は共変（covariant） ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>(); List<String> list = arrayList; このパターンはNG 型変数部分は⾮変（invariant） List<Integer> integerList = List.of(123); List<Number> numberList = integerList; // NG §4.10. Subtyping パラメタライズドタイプと共変・⾮変
31. Javaの配列は共変 粉ミルク[] 粉ミルクストック = new 粉ミルク[] {”はいはい”, ”つよいこ”} 飲料[] 飲料ストック = 粉ミルクストック; // コンパイルが通る 飲料ストック[0] = ”⼭崎”; コンパイルエラーは出ないが、実⾏時にはArrayStoreException 実⾏時に型を確認するアプローチ 配列の共変
32. public void のどを潤す(Supplier<飲料> ⾃動販売機, Consumer<飲料> ⼈) { 飲料 drink = ⾃動販売機.get(); ⼈.accept (drink); } パラメタライズドタイプで共変を使いたいケース Supplier<飲料> Consumer<飲料>
33. Supplier<飲料> ⾃動販売機A; Supplier<コーラ> ⾃動販売機B; のどを潤す(⾃動販売機A, ⼈); // OK のどを潤す(⾃動販売機B, ⼈); // NG パラメタライズドタイプで共変を使いたいケース Supplier<飲料> Supplier<コーラ> コーラだけの⾃販 機でも別にいいん だけどなあ……
34. 普通の⾃動販売機A 飲料 get() void 補充(飲料) コーラ専⽤の⾃動販売機B コーラ get() void 補充(コーラ) 共変にできない理由を振り返る リスコフの置 換原則違反！ でもそこ使わ ないじゃん B extends A
35. <? extends 飲料> を表す型 コンパイル時の型の推論にだけ現れ、単体で宣⾔することはできない §5.1.10. Capture Conversion Capture というトリック Capture <? extends 飲料> キャスト可 飲料 キャプチャ変換 <飲料> <コーラ> ※いろいろと⽅便です
36. List<? extends 飲料> 飲み物リスト 飲料 x = 飲み物リスト.getFirst(); // OK 飲み物リスト.add(コーラ); // NG! Capture というトリック 出⼒（戻り値）にだけ使えて ⼊⼒（引数）には使えない Capture <? extends 飲料> キャスト可 飲料 キャスト不可 飲料
37. public void のどを潤す(Supplier<? extends 飲料> ⾃動販売機, Consumer<飲料> ⼈) { 飲料 drink = ⾃動販売機.get(); // Capture<? extends 飲料> から 飲料 へのキャスト ⼈.accept (drink); } Captureで共変 Consumer<飲料> Supplier<飲料> Supplier<コーラ> どっちも OK!
38. List<? super 飲料> 飲み物リスト 飲料 x = 飲み物リスト.getFirst(); // NG! 飲み物リスト.add(コーラ); // OK! 反変のCapture ⼊⼒（引数）にだけ使えて 出⼒（戻り値）には使えない 何に使うの？ Capture <? super 飲料> キャストはObjectにだけ Object <飲料> <Object> キャプチャ変換
39. public void 消費する(Supplier<飲料> ⾃動販売機, Consumer<? super 飲料> 消費者) { 飲み物 drink = ⾃動販売機.get(); 消費者.accept (drink); } 反変で消費する Supplier<飲料> Consumer<飲料> 飲み物が消費できればなんでも可 Consumer<Object>
40. java.util.stream.Stream のメソッドには共変・反変のが多⽤さ れている mapに渡す関数は 「T を渡すと R を返す」 ことが出来る必要がある ⼊⼒はTより広くても良いし 出⼒はRより具体的でも良い Stream API のドキュメント
41. • Javaの型推論四天王 • 型変数の境界 • 再帰ジェネリクス • イレイジャ • ジェネリクスとリフレクション • 未来のジェネリクス • チューリング完全 おまけ
42. • Java 5 : ジェネリックメソッドの型推論 • Java 7 : ダイヤモンド演算⼦ • Java 8 : ラムダ式の引数の型推論 • Java 10 : ローカル変数宣⾔の型推論 var Javaの⾔語仕様的には型推論が⽣じるところが複数ある • Java21 : Record Pattern の型推論 new! (JEP 440) Javaの型推論四天王
43. public class Hoge<T extends X> 型変数を宣⾔する際に型変数Tの上限境界を指定することが出来る。 ここでは extends は使えるが super は使えない。 パラメタライズドタイプのワイルドカードと紛らわしい public class Hoge<T extends X & Cloneable> & を⽤いて interface を implements していることを表すこともできる 型変数の境界
44. enum のスーパークラス 趣旨としてはサブクラス⾃⾝の型 class Hoge extends Enum<Hoge> みたいな感じで継承でバインドされる ※実際には enum で宣⾔する 再帰ジェネリクス
45. Optional<EnumDesc<Hoge>> desc = Hoge.ABC.describeConstable(); ポイントは親クラスEnumで定義されたメソッドなのに、 具象型Hogeが得られること GoFデザインパターンの Template Methodパターン などと相性がいい 再帰ジェネリクス
46. §4.6. Type Erasure イレイジャとは、型（パラメータ化された型や型変数を含む可能性があ る）から型（パラメータ化された型や型変数ではない）への写像である。 型Tのイレイジャを｜T｜と書く ⼤雑把に⾔えば List<String> → |List| Map<String, Integer> → |Map| イレイジャとは何か
47. ⼤雑把には • 同じクラス • 同じ名前 • 引数のイレイジャが同じ オーバーライド等価という概念 override-equivalent (§8.4.2. Method Signature) void hoge(List<String> list) void hoge(List<Integer> list) はイレイジャが同じ |List| になるので共存できない Javaのメソッド シグネチャ
48. イレイジャの誤解で実⾏時にはなんでも消えるイメージがあるがそうで もない public static <T extends Number> void hoge(T t) メソッドをコンパイルしてclassファイルを作り、 classpathにこのclassを置いて、hogeメソッドを利⽤しようとすれば TがNumberでなければコンパイルエラーになる ジェネリクスとリフレクション classファイル <T extends Number> <T extends Number>
49. メソッドスコープの型変数の名前や上限境界を取得する例 Method[] methods = Sample.class.getMethods(); System.out.println(methods[0].getTypeParameters()[0].getName()); System.out.println(methods[0].getTypeParameters()[0].getBounds()[0]); 先の例だと “T” と class java.lang.Number が得られる ジェネリクスとリフレクション
50. java.lang.reflect.Method などでも、パラメタライズドタイプで 引数や戻り値の型を取得する機能がある。 classファイルにはメソッドやフィールドなどのシグネチャ部分 の型は パラメタライズドタイプで保存されている 実⾏時に取得することもできる ローカル変数はイレイジャ ジェネリクスとリフレクション
51. ジェネリクス関連のJEPはいくつか存在している • JEP 218: Generics over Primitive Types (2014 / 2017 updated) • JEP 300: Augment Use-Site Variance with Declaration-Site Defaults (2014 / 2016 updated) • JEP 402: Enhanced Primitive Boxing (Preview) (2021 / 2024 updated) • JEP draft 8261529: Universal Generics (Preview) (2021 / 2023 updated) • JEP draft 8303099: Null-Restricted and Nullable Types (Preview) (2023 / 2024 updated) 未来のジェネリクス
52. 2014年の古株のJEP Project Valhalla の管轄 プリミティブ型をジェネリクスで扱えるようにする 内容としては JEP 402 と被っていて 402 で進められていそう JEP 218: Generics over Primitive Types
53. 更新が⽌まっているので活きているのかどうなのか Java の型変数は 利⽤側で変性を宣⾔する⽅式(use-site variance annotations) C#やKotlinは型変数の宣⾔側で変性を指定(declaration-site variance annotations) 宣⾔側でデフォルトの変性を指定できるようにしようという試み JEP 300: Augment Use-Site Variance with Declaration-Site Defaults
54. Java / Java VM のリファクタリングをする巨⼤プロジェクト Value Type を導⼊してVMの効率をアップする⽬論み 既存のものも含め Value Type / 参照型 に整理 そのどちらでも同様にジェネリクスを適⽤ Codes like a class, works like an int. Project Valhalla
55. Valhalla 関連 JEP Valhallaで導⼊予定のValue Typeもジェネリクスで⽤いること が出来るように。 Valhalla⾃体が検証中であるため、⽅針が⼆転三転。 最近、ステータスが Closed / Withdrawn になった。 後述のJEPに置き換わった模様 JEP draft: Universal Generics (Preview)
56. Valhalla 関連 JEP プリミティブ型を参照型っぽく使えるように。 この⼀環としてプリミティブ型を型変数に⽤いることができるよ うにする。 JEP 402: Enhanced Primitive Boxing (Preview) int i = 12; int iSize = i.SIZE; double iAsDouble = i.doubleValue(); Supplier<String> iSupp = i::toString;
57. Valhalla 関連 JEP Javaの参照型を強化し、nullがある型かどうか表現できるように する。 型変数にもnull許容 / null制限 を表現できるように拡張する • T ! - null 制限型 • T ? - null 許容型 • Box<String!> - null制限型のパラメタライズドタイプ • Box<String?> - null許容型のパラメタライズドタイプ JEP draft: Null-Restricted and Nullable Types (Preview)
58. Radu Grigore (2016). Java Generics are Turing Complete 絶対にIDEに貼り付けてはいけない。 絶対にバージョン管理システムに コミットしてはいけない。 絶対にCIを回してはいけない。 Javaのジェネリクスはチューリング完全？ コードなコピペそ
59. l Java⾔語仕様 l The Java® Language Specification Java SE 21 Edition https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se21/html/ l Java標準APIのjavadoc l Java® Platform, Standard Edition & Java Development Kit バージョン21 API仕様 https://docs.oracle.com/javase/jp/21/docs/api/ l JEP 各種 l https://openjdk.org/jeps/0 l Project Valhalla l https://openjdk.org/projects/valhalla/ l Radu Grigore (2016). Java Generics are Turing Complete l 五⼗嵐淳 (2002). On Variance-Based Subtyping for Parametric Types l @nagiseの過去の資料 l Project Valhalla 2023 https://nagise.hatenablog.jp/entry/2023/04/17/210648 l Java Generics Hell Advent Calendar 2017 https://adventar.org/calendars/2751 l OpenJDK の duke ギャラリー l https://wiki.openjdk.org/display/duke/Gallery l いらすとや l https://www.irasutoya.com/ 参考⽂献リスト Duke Duchess
60. Thank you !