初学者向け「Kotlinでジェネリクスを学ぼう」

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Kotlinでジェネリクスを学ぼう初学者向け

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長澤太郎 ● エムスリー株式会社 ● 日本Kotlinユーザグループ代表

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もくじ 1. ジェネリクスとは 2. 変位とは 3. 変位の指定 4. ジェネリック制約 5. 型消去とreified型

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1. ジェネリクスとは 2. 変位とは 3. 変位の指定 4. ジェネリック制約 5. 型消去とreified型

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単純なコンテナを定義してみよう class Box(val value: Any)

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単純なコンテナを定義してみよう class Box(val value: Any) Any String Int Number CharSequence Anyは、あらゆる型のスーパタイプ ※ただしNullableは除く

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Boxクラスを使ってみる val box1: Box = Box("Hello") val box2: Box = Box(3) repeat(box2.value as Int) { val message: String = box1.value as String println(message.toUpperCase()) }

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Boxクラスを使ってみる val box1: Box = Box("Hello") val box2: Box = Box(3) repeat(box2.value as Int) { val message: String = box1.value as String println(message.toUpperCase()) } イイ感じにオブジェクトをラップできている！

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Boxクラスを使ってみる val box1: Box = Box("Hello") val box2: Box = Box(3) repeat(box2.value as Int) { val message: String = box1.value as String println(message.toUpperCase()) } 取り出し（アンラップ）はキャストが要る

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あらゆる型に対応させたい＝固定の型で定義したくない V.S. キャストしたくない＝Anyを使いたくない

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あらゆる型に対応させたい＝固定の型で定義したくない V.S. キャストしたくない＝Anyを使いたくないジェネリクス

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ジェネリッククラス class Box(val value: T) ● 型パラメータが宣言されているクラス ● 型パラメータ＝仮の型。名前を付けられるが、大文字1字が慣習となっている。

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ジェネリッククラスのインスタンス生成 ● 型引数を指定する ○ 型パラメータが指定の型で置き換わるイメージ ○ 型推論により省略できる場合が多い val box1: Box = Box("Hello") val box2: Box = Box(3) repeat(box2.value) { val message: String = box1.value println(message.toUpperCase()) }

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型パラメータ？型引数？仮の宣言実際の指定関数仮引数 parameter 実引数 argument ジェネリッククラス型パラメータ type parameter 型引数 type argument

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1. ジェネリクスとは 2. 変位とは 3. 変位の指定 4. ジェネリック制約 5. 型消去とreified型

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変位とは ● variance: 「変位」や「分散」などと訳される ● ジェネリック型において、サブタイピングの関係を記述する ● 次の3種類がある ○ 不変 ○ 共変 ○ 反変

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クラス ≠ 型 ● 1つのクラスにつき、2つの型がある場合の例 ○ Stringクラス ○ String型とString?型 ● 1つのクラスにつき、無数の型がある場合の例 ○ （先ほど独自に定義した）Boxクラス ○ Box型、Box型、Box>型.........

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不変（invariant） ● 非変とも。不変（immutable）との混同をおそれて ● サブタイプの関係が成り立たない ● デフォルト（特に指定がない場合は不変となる） val box1: Box = Box(123) val box2: Box = box1 // コンパイルエラー Int Number Box Box

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不変だと扱いづらい場合がある // BoxをIntに変換する関数 fun toInt(box: Box): Int = box.value.toInt() val floatBox: Box = Box(12.3f) val int: Int = toInt(floatBox) // NG

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共変（covariant） ● 型パラメータと同じサブタイピング関係が成り立つ ● 型プロジェクションにおいてoutキーワードを用いる val box1: Box = Box(123) val box2: Box = box1 // OK Int Number Box Box

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型プロジェクション ● 型の射影（projection） ● RDBにおける射影とは、カラムの選択 → レコードのある側面にだけ注目している ● 型のある側面にだけ注目することで、サブタインピングの関係を変更できる →逆に言うと、ある側面を隠すということ

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例えば、変更可能なコンテナを考える class MutableBox(var value: T) val box1: MutableBox = MutableBox(123) val box2: MutableBox = box1 box2.value = 0.5

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例えば、変更可能なコンテナを考える class MutableBox(var value: T) val box1: MutableBox = MutableBox(123) val box2: MutableBox = box1 box2.value = 0.5 この操作は安全か？

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例えば、変更可能なコンテナを考える class MutableBox(var value: T) val box1: MutableBox = MutableBox(123) val box2: MutableBox = box1 box2.value = 0.5 // コンパイルエラー ● 実体がIntなのでDoubleの代入は危険 ○ 禁止すべき操作（Javaの配列では可能） ● 実際にはコンパイルエラーとなる → setterが削除されている → 型プロジェクションにより「ある側面を隠した」

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反変（contravariant） ● 型パラメータと逆のサブタイピング関係が成り立つ ● inキーワードを用いる fun setDefault(box: MutableBox) { box.value = 0 } val box: MutableBox = MutableBox(NaN) setDefault(box) println(box.value) // 0 Int Number Box Box

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不変・共変・反変まとめキーワードサブタイピング可能な操作不変 invariant (なし) 入出力共変 covariant out 出力反変 contravariant in 入力型Aが型Bのサブタイプであるとき... Box Box Box Box Box Box

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1. ジェネリクスとは 2. 変位とは 3. 変位の指定 4. ジェネリック制約 5. 型消去とreified型

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型プロジェクション（2回目） ● 型の射影 ● キーワード out や in を使う ● ジェネリック型を使う際に指定するので「使用場所変位指定」と言うこともある val box1: Box = Box(123) val box2: Box = box1

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型プロジェクション（2回目） ● 型の射影 ● キーワード out や in を使う ● ジェネリック型を使う際に指定するので「使用場所変位指定」と言うこともある val box1: Box = Box(123) val box2: Box = box1 型プロジェクションにより「入力」すなわち「変更」が禁止される。そもそもBoxクラスはイミュータブルなので変更できないのは自明。このout宣言は冗長なのでは？

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宣言場所変位指定 ● クラスやインタフェースにおいて、型パラメータを宣言する場所で変位を指定することができる ● outやinキーワードを使用する ● 型プロジェクションは、自動的に危険な操作を隠してくれるが、宣言場所変位指定では、指定した変位に対して、危険な操作を公開するとコンパイルエラーとなる class Box(val value: T) val box1: Box = Box(123) val box2: Box = box1

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1. ジェネリクスとは 2. 変位とは 3. 変位の指定 4. ジェネリック制約 5. 型消去とreified型

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ジェネリック制約 ● 型引数として指定できる型に制約を設けることが可能 ● 制約とは、具体的には上限境界 class NumberBox(val value: T) { fun toInt(): NumberBox = NumberBox(value.toInt()) } val box1: NumberBox = NumberBox("") // NG val box2: NumberBox = NumberBox(1.2f) val box3: NumberBox = box2.toInt()

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複数の上限境界 ● 複数の上限境界を指定するにはwhereキーワードを使う interface WithName { val name: String } interface Greeter { fun greet(): String } class Person(override val name: String): WithName, Greeter { override fun greet(): String = "Hello" } fun introduceMyself(t: T): String where T: WithName, T: Greeter { return "${t.greet()}, I am ${t.name}!" }

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1. ジェネリクスとは 2. 変位とは 3. 変位の指定 4. ジェネリック制約 5. 型消去とreified型

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型消去 Kotlin Java風コンパイル val box: Box = Box("Hello") val value: String = box.value Box box = new Box("Hello"); String value = (String) box.getValue();

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val box: Box = Box("Hello") val value: String = box.value Box box = new Box("Hello"); String value = (String) box.getValue(); 型消去 Kotlin Java風コンパイルいわゆる「raw型」＝ジェネリクス無視

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型消去 val box: Box = Box("Hello") val value: String = box.value Box box = new Box("Hello"); String value = (String) box.getValue(); Kotlin Java風コンパイル型引数の情報が失われているので、キャストが必要

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型消去 Kotlin Java風コンパイル val box: Box = Box("Hello") val value: String = box.value Box box = new Box("Hello"); String value = (String) box.getValue(); コンパイルすると型引数が消える！コンパイルの時だけに使用される情報、すなわち型安全性の面のみで活用される。

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型チェック val myObject: Any = Box(123) if (myObject is Box) { ... } val myObject: Any = Box(123) if (myObject is Box<*>) { ... } NG OK

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型チェック val myObject: Any = Box(123) if (myObject is Box) { ... } val myObject: Any = Box(123) if (myObject is Box<*>) { ... } NG OK 型消去により、実行時に判断がつかない

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型チェック val myObject: Any = Box(123) if (myObject is Box) { ... } val myObject: Any = Box(123) if (myObject is Box<*>) { ... } NG OK スタープロジェクションを使えばOK

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スタープロジェクション ● 型が決まっているが、不明なとき or 興味がないときに使用する ● AND 的に振る舞う val list: MutableList<*> = mutableListOf() val first: Any? = list.get(0) // Any?として生産 list.add(123) // コンパイルエラー, Nothingとして消費 Any? あらゆる型のスーパタイプ Nothing あらゆる型のサブタイプ

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型消去が不便なところ fun Any.isA(clazz: Class): Boolean = clazz.isInstance(this) 5.isA(Number::class.java)

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型消去が不便なところ fun Any.isA(clazz: Class): Boolean = clazz.isInstance(this) 5.isA(Number::class.java) 5.isA() こう書きたくない？

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具象型（reified type）パラメータ付き関数 inline fun Any.isA(): Boolean = this is T 5.isA()

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具象型（reified type）パラメータ付き関数 inline fun Any.isA(): Boolean = this is T 5.isA() インライン関数実行時にも残る型パラメータ

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まとめ ● 任意の型に対して汎用的に安全なコード部品化を実現する →ジェネリクス ● クラスや関数は、型パラメータを宣言することができる ● 型引数を指定することで、それが型パラメータを置き換える ● ジェネリック型を安全かつ柔軟に扱うために変位と呼ばれる性質を生かす（不変、共変、反変） ● 型プロジェクションや宣言場所変位指定により、変位の指定をすることができる ● 型引数に制約を設けることができる ● 型引数の情報はコンパイル時に消える→型消去 ● 具象型パラメータ付き関数の中では、型消去が起こっていないように見える