Java21とKotlinの代数的データ型 & パターンマッチの紹介と本当に嬉しい使い方 / Algebraic Data Type in Java and Kotlin: Happy Use of Pattern Match

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4 ©2023 Loglass Inc. Java21のパターンマッチ sealed interface S permits A, B, C {} final class A implements S {} final class B implements S {} record C(int num, String str) implements S {} static String switchExpression(S s) { return switch (s) { case A a -> "A"; case B b -> "B"; case C(int num, String str) -> Integer.toString(num) + str; // default節がいらない }; }

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5 ©2023 Loglass Inc. Java21のパターンマッチ sealed interface S permits A, B, C {} final class A implements S {} final class B implements S {} record C(int num, String str) implements S {} static String switchExpression(S s) { return switch (s) { case A a -> "A"; case B b -> "B"; // コンパイルエラー // case C(int num, String str) -> Integer.toString(num) + str; }; }

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10 ©2023 Loglass Inc. アジェンダ 1. Java21のパターンマッチについて a. JEP441: Pattern Matching for switch b. JEP440: Record Patterns c. Kotlinとの比較 2. 代数的データ型について a. 直積と直和 b. 代数的データ型の本質 c. 継承と何が違うの？ d. Enumと何が違うの？ 3. 実際の使い所 a. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える

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11 ©2023 Loglass Inc. アジェンダ 1. Java21のパターンマッチについて a. JEP441: Pattern Matching for switch b. JEP440: Record Patterns c. Kotlinとの比較 2. 代数的データ型について a. 直積と直和 b. 代数的データ型の本質 c. 継承と何が違うの？ d. Enumと何が違うの？ 3. 実際の使い所 a. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える

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13 ©2023 Loglass Inc. Java21のパターンマッチ sealed interface S permits A, B, C {} final class A implements S {} final class B implements S {} record C(int num, String str) implements S {} static String switchExpression(S s) { return switch (s) { case A a -> "A"; case B b -> "B"; case C(int num, String str) -> Integer.toString(num) + str; // default節がいらない }; }

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15 ©2023 Loglass Inc. sealed interface S permits A, B, C {} final class A implements S {} final class B implements S {} record C(int num, String str) implements S {} static String switchExpression(S s) { return switch (s) { case A a -> "A"; case B b -> "B"; case C(int num, String str) -> Integer.toString(num) + str; // default節がいらない }; } Java21のswitch式のパターンマッチ sealed + permitsで実装クラスを限定

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16 ©2023 Loglass Inc. sealed interface S permits A, B, C {} final class A implements S {} final class B implements S {} record C(int num, String str) implements S {} static String switchExpression(S s) { return switch (s) { case A a -> "A"; case B b -> "B"; case C(int num, String str) -> Integer.toString(num) + str; // default節がいらない }; } Java21のswitch式のパターンマッチ引数sはAかBかCに確定するのでdefault節が必要ない

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17 ©2023 Loglass Inc. Java19まで（switch式内でパターンマッチが使えない） sealed interface S permits A, B, C {} final class A implements S {} final class B implements S {} record C(int num, String str) implements S {} static String switchExpression(S s) { return switch (s) { case A a -> "A"; case B b -> "B"; case C(int num) -> Integer.toString(num) + str; }; } // => error: patterns in switch statements are a preview feature and are disabled by default. switch式内で型判定ができない

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18 ©2023 Loglass Inc. Java19まで static String ifStatementPatternMatch(S s) { if (s instanceof A a) { return "A"; } else if (s instanceof B b) { return "B"; } else if (s instanceof C c) { return Integer.toString(c.num()) + c.str(); } else { return null; } } - if節で頑張って書く

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19 ©2023 Loglass Inc. Java19まで static String ifStatementPatternMatch(S s) { if (s instanceof A a) { return "A"; } else if (s instanceof B b) { return "B"; } else if (s instanceof C c) { return Integer.toString(c.num()) + c.str(); } else { return null; } } else節を省略できない - if節で頑張って書く

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21 ©2023 Loglass Inc. sealed interface S permits A, B, C {} final class A implements S {} final class B implements S {} record C(int num, String str) implements S {} static String switchExpression(S s) { return switch (s) { case A a -> "A"; case B b -> "B"; case C(int num, String str) -> Integer.toString(num) + str; }; } Java21でRecordがパターンマッチで使えるようになった Cクラスのフィールドに手軽にアクセスできる

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23 ©2023 Loglass Inc. Kotlinとの比較 sealed interface S class A : S class B : S data class C(val num: Int, val str: String) : S fun switchExpression(s: S): String { return when (s) { is A -> "A" is B -> "B" is C -> s.num.toString() + s.str // else節(Javaでいうdefault節)がいらない } }

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24 ©2023 Loglass Inc. Kotlinとの比較 sealed interface S class A : S class B : S data class C(val num: Int, val str: String) : S fun switchExpression(s: S): String { return when (s) { is A -> "A" is B -> "B" is C -> s.num.toString() + s.str // else節(Javaでいうdefault節)がいらない } } sealed で実装クラスを限定 Javaのsealed ~ permits相当

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25 ©2023 Loglass Inc. Kotlinとの比較 sealed interface S class A : S class B : S data class C(val num: Int, val str: String) : S fun switchExpression(s: S): String { return when (s) { is A -> "A" is B -> "B" is C -> s.num.toString() + s.str // else節(Javaでいうdefault節)がいらない } } 引数sはAかBかCに確定するのでelse節が必要ない

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27 ©2023 Loglass Inc. JavaとKotlinの違い①: Kotlinは個別のフィールドのパターンマッチができない static String switchExpression(S s) { return switch (s) { case A a -> "A"; case B b -> "B"; case C(int num, String str) -> Integer.toString(num) + str; }; } fun switchExpression(s: S): String { return when (s) { is A -> "A" is B -> "B" is C -> s.num.toString() + s.str } }

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29 ©2023 Loglass Inc. KotlinのNull Safety fun switchExpression(s: S): String { return when (s) { is A -> "A" is B -> "B" is C -> s.num.toString() + s.str // null -> "null" } } fun switchExpression2(s: S?): String { return when (s) { is A -> "A" is B -> "B" is C -> s.num.toString() + s.str null -> "null" } } ?がついていない限りは Nullをコンパイルフェーズで防げる。 ?がついている場合は nullのケースが必要（でないとコンパイルエラーになる）

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30 ©2023 Loglass Inc. Javaのswitch式内のnullの扱い sealed interface S permits A, B, C {} final class A implements S {} final class B implements S {} record C(int num, String str) implements S {} static String switchExpression(S s) { return switch (s) { case A a -> "A"; case B b -> "B"; case C(int num, String str) -> Integer.toString(num) + str; null -> "null" }; } switch式の中でnullが扱えるようになった。しかし常にnullに気を配る必要がある。 nullがなくてもコンパイルエラーにならない。

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32 ©2023 Loglass Inc. アジェンダ 1. Java21のパターンマッチについて a. JEP441: Pattern Matching for switch b. JEP440: Record Patterns c. Kotlinとの比較 2. 代数的データ型について a. 直積と直和 b. 代数的データ型の本質 c. 継承と何が違うの？ d. Enumと何が違うの？ 3. 実際の使い所 a. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える

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36 ©2023 Loglass Inc. 直積集合について - A × B = { (a,b) ∣ a ∈ A, b ∈ B } （=AかつB） - JavaではRecordが直積に当たる（Classも直積） - 要するに構造体 (1, “あ”) (1, “い”) (1, “う”) (2, “あ”) (2, “い”) (2, “う”) (3, “あ”) (3, “い”) (3, “う”) A: 1, 2, 3, B: “あ”, “い”, ‘う“ A ✖ B record C ( int num, String str ) implements S {} C = int ✖ String

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38 ©2023 Loglass Inc. 代数的データ型 = 直積集合と直和集合の掛け合わせ A B C = int ✖ String S = A ⊕ B ⊕ (int ✖ String) sealed interface S permits A, B, C {} final class A implements S {} final class B implements S {} record C( int num, String str ) implements S {}

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45 ©2023 Loglass Inc. アジェンダ 1. Java21のパターンマッチについて a. JEP441: Pattern Matching for switch b. JEP440: Record Patterns c. Kotlinとの比較 2. 代数的データ型について a. 直積と直和 b. 代数的データ型の本質 c. 継承と何が違うの？ d. Enumと何が違うの？ 3. 実際の使い所 a. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える

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46 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - タスク管理アプリ（お決まりのやつ）を考える - Taskクラスの状態はInProgress→Completed - Completedの場合は必ずcompletedAtを持つ class Task { private final String title; private final TaskStatus status; private final LocalDateTime completedAt; // 中略 } enum TaskStatus { InProgress, Completed } 従来の書き方 InProgress Completed

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47 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - データ不整合がおきる可能性がある - 例) 完了日時を持つ進行中のタスク InProgress Completed 進行中なのに完了時刻を持っている？ new Task("買い物", TaskStatus.InProgress, null); new Task( "買い物", TaskStatus.Completed, LocalDateTime.now() ); new Task( "買い物", TaskStatus.InProgress, LocalDateTime.now() ); // NG: 進行中なのに完了時刻持ち従来の書き方

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49 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - Task全体を代数的データ型と捉える sealed interface Task permits InProgressTask, CompletedTask { String title(); } record InProgressTask( String title ) implements Task {} record CompletedTask( String title, LocalDateTime completedAt ) implements Task {} InProgressTask = String Task = InProgressTask ⊕ CompletedTask CompletedTask = String × LocalDateTime

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50 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - Enumとは違いデータ不整合がコンパイルフェーズで検出される InProgressTask = String Task = InProgressTask ⊕ CompletedTask CompletedTask = String × LocalDateTime new InProgressTask("買い物"); new CompletedTask( "買い物", LocalDateTime.now() ); // コンパイルエラー new InProgressTask( "買い物", LocalDateTime.now() );

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51 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - Enumとは違いデータ不整合がコンパイルフェーズで検出される - どちらか2つの集合の中で値が必ず確定する InProgressTask = String Task = InProgressTask ⊕ CompletedTask CompletedTask = String × LocalDateTime new InProgressTask("買い物"); new CompletedTask( "買い物", LocalDateTime.now() ); // コンパイルエラー new InProgressTask( "買い物", LocalDateTime.now() );

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52 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - Enumとは違いデータ不整合がコンパイルフェーズで検出される - どちらか2つの集合の中で値が必ず確定する。 InProgressTask = String InProgressTask ∩ CompletedTask = { 0 } CompletedTask = String × LocalDateTime new InProgressTask("買い物"); new CompletedTask( "買い物", LocalDateTime.now() ); // コンパイルエラー new InProgressTask( "買い物", LocalDateTime.now() ); 進行中なのに完了時刻を持っている？

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53 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - Enumのようにswitch式も使える sealed interface Task permits InProgressTask, CompletedTask { String title(); default Task complete(LocalDateTime completedAt) { return switch (this) { case InProgressTask t -> new CompletedTask( t.title(), completedAt ); case CompletedTask t -> t; }; } }

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54 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - 新しいステータスが増えた場合もコンパイルエラーで変更箇所を自動検知可能 InProgressTask = String CompletedTask = String × LocalDateTime InReviewTask = String sealed interface Task permits InProgressTask, CompletedTask, InReviewTask { String title(); } record InProgressTask( String title ) implements Task {} record CompletedTask( String title, LocalDateTime completedAt ) implements Task {} ++ record InReviewTask( ++ String title ++ ) implements Task { }

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55 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - 新しいステータスが増えた場合もコンパイルエラーで変更箇所を自動検知可能 InProgressTask = String CompletedTask = String × LocalDateTime InReviewTask = String sealed interface Task permits InProgressTask, CompletedTask, InReviewTask { String title(); } record InProgressTask( String title ) implements Task {} record CompletedTask( String title, LocalDateTime completedAt ) implements Task {} ++ record InReviewTask( ++ String title ++ ) implements Task { }

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56 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - 新しいステータスが増えた場合もコンパイルエラーで変更箇所を自動検知可能 - パターン網羅性の自動担保 sealed interface Task permits InProgressTask, CompletedTask { String title(); default Task complete(LocalDateTime completedAt) { return switch (this) { case InProgressTask t -> new CompletedTask( t.title(), completedAt ); case CompletedTask t -> t; // InReviewTaskがないのでコンパイルエラー }; } } InProgressTask = String CompletedTask = String × LocalDateTime InReviewTask = String

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57 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - 改めて比較してみる class Task { private final String title; private final TaskStatus status; private final LocalDateTime completedAt; // 中略 } enum TaskStatus { InProgress, Completed } sealed interface Task permits InProgressTask, CompletedTask { String title(); } record InProgressTask( String title ) implements Task {} record CompletedTask( String title, LocalDateTime completedAt ) implements Task {} 代数的データ型従来の書き方

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58 ©2023 Loglass Inc. 直積と直和の性質を使って状態ごとに構造体を切り替える - 改めて比較してみる - コンパイルフェーズでデータ不整合を防げている new InProgressTask("買い物"); new CompletedTask( "買い物", LocalDateTime.now() ); // コンパイルエラー new InProgressTask( "買い物", LocalDateTime.now() ); 代数的データ型従来の書き方 new Task("買い物", TaskStatus.InProgress, null); new Task( "買い物", TaskStatus.Completed, LocalDateTime.now(), ); // NG: 進行中なのに完了時刻持ち new Task( "買い物", TaskStatus.InProgress, LocalDateTime.now() );