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 Good morning ! #jjug_ccc_a 2024/10/27 10:00 〜 10:45

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

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

● 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

List list = new ArrayList(); 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

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)

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

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 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 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

● 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

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 boolean replaceAll (List list, T oldVal, T newVal) ３つの引数がList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

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 Set singleton(T o) 引数がT型で、戻り値がSet型という関係性 メソッドスコープのジェネリクス

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

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

● 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(); new ArrayList(); インスタンススコープのジェネリクス

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

ArrayList の iterator() はエンクロージング内部クラス Itr を返す public Iterator iterator() { return new Itr(); } 内部クラス Itr の宣⾔はこんな感じ。ArrayListの を Iterator としてバインドして使っている public class ArrayList /** いろいろ略 */ { private class Itr implements Iterator { … } } インスタンスに紐づく内部クラスへの波及 ArrayList Itr implements 発展的内容

public class Syntax implements Iterable { public void hoge(X x) { List list = new ArrayList(); list.add(x); } @Override public Iterator iterator() { return null; } } 似て非なる＜＞を色分けしてみました ⽂法の話

型変数の宣⾔ class Hoge{} // インスタンススコープ public void hoge() {} // メソッドスコープ 型変数のバインド new ArrayList(); // new でのバインド class StringList extends ArrayList {} // 継承でのバインド Collections. 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 list; 3種の＜＞

ジェネリッククラスの例 java.util.ArrayList より 宣⾔側 public class ArrayList /*略*/ {} 利⽤側でバインド List list = new ArrayList(); 推論 List list = new ArrayList<>(); 型変数の宣⾔とバインド

継承によるバインド class StringList extends ArrayList 継承の際に型変数をバインドすることもできる class StringKeyMap extends HashMap 型変数の宣⾔とバインド

ジェネリックメソッドの例 java.util.Collections より 宣⾔側 public static boolean replaceAll (List list, T oldVal, T newVal) 利⽤側 Collections.replaceAll(list, "hoge", "piyo"); 推論 Collections.replaceAll(list, "hoge", "piyo"); 型変数の宣⾔とバインド

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 Map singletonMap(K key, V value) 利⽤側 Collections.singletonMap("hoge", 123); 推論 Collections.singletonMap("hoge", 123); 型変数の宣⾔とバインド

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 宣⾔側 public Optional map(Function super T, ? extends U> mapper) 利⽤側 Optional optI = Optional.of(123); Optional optS = optI.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

「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 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

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〜

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

このパターンはOK ArrayList arrayList = new ArrayList<>(); List list = arrayList; このパターンはNG List integerList = List.of(123); List 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 から List には変換できません

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

このパターンはOK 型識別⼦部分は共変（covariant） ArrayList arrayList = new ArrayList<>(); List list = arrayList; このパターンはNG 型変数部分は⾮変（invariant） List integerList = List.of(123); List numberList = integerList; // NG §4.10. Subtyping パラメタライズドタイプと共変・⾮変

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

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>

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……

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

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

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

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!

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> キャプチャ変換

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

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

● 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

● 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

public class Hoge 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 & 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

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 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

Optional> 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

§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 → |List| Map → |Map| イレイジャとは何か

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 list) void hoge(List 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

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 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

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

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

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

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

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

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

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)

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 iSupp = i::toString;

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 - null制限型のパラメタライズドタイプ ● Box - null許容型のパラメタライズドタイプ JEP draft: Null-Restricted and Nullable Types (Preview)

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

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

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