チュートリアル: パターンマッチングを使用して、型ドリブンおよびデータドリブンのアルゴリズムを構築する

[アーティクル]
05/10/2023

他のライブラリ内に存在する可能性がある型を拡張したかのように動作する機能を記述できます。パターンの別の用途は、アプリケーションで必要な、拡張される型の基本機能ではない機能を作成することです。

このチュートリアルで学習する内容は次のとおりです。

パターンマッチングを使用する必要がある状況を認識する。
パターンマッチング式を使用して、型とプロパティの値に基づく動作を実装する。
パターンマッチングと他の手法を組み合わせて、完全なアルゴリズムを作成する。

前提条件

Windows には Visual Studio をお勧めします。 Visual Studio のダウンロードセンターページから無料バージョンをダウンロードできます。 Visual Studio には .NET SDK が含まれます。
また、C# DevKit で Visual Studio Code エディターを使用することもできます。最新の .NET SDK を別にインストールする必要があります。
別のエディターを使う場合は、最新の .NET SDK をインストールする必要があります。

このチュートリアルでは、C# と .NET (Visual Studio または .NET CLI のいずれかを含む) に精通していることを前提としています。

パターンマッチングのシナリオ

多くの場合、最新の開発には、1 つのまとまりのあるアプリケーションの中で、複数のソースから受信するデータを統合し、それらのデータに基づいて情報と分析情報を提示することが含まれます。開発者やチームは、受信データを表す型のすべてをコントロールしたり、アクセスしたりすることはできません。

従来のオブジェクト指向設計では、複数のデータソースから受信する各データ型を表す型をアプリケーション内で作成する必要があります。その後、アプリケーションで、それらの新しい型を操作し、継承階層を構築し、仮想メソッドを作成し、抽象化を実装します。これらの手法は有効であり、ときには最善のツールです。少ないコードを記述できる場合があります。データと、そのデータを操作する操作を分離する手法を使用して、もっと読みやすいコードを記述できます。

このチュートリアルでは、1 つのシナリオでさまざまな外部ソースから受信データを受け取るアプリケーションを作成して探索します。 パターンマッチングを使用して、元のシステムには含まれていない効率的な方法で、データを使用して処理するしくみを見ていきます。

通行料金とピーク時間帯料金を使用して交通量を管理する大都市圏について検討します。車種に基づいて通行料金を計算するアプリケーションを記述します。機能強化として、車両の乗員数に基づく料金を組み込みます。さらなる機能強化として、時間帯と曜日に基づく料金を追加します。

この簡単な説明から、このシステムをモデル化するオブジェクト階層をすぐに思い描くことができます。ただし、データは、他の車両登録管理システムなどの複数のソースから送信されます。これらのシステムでは異なるクラスを使用してデータがモデル化されているため、使用できる単一のオブジェクトモデルはありません。このチュートリアルでは、次のコードに示すように、簡略化されたクラスを使用して外部システムからの車両データをモデル化します。

namespace ConsumerVehicleRegistration
{
    public class Car
    {
        public int Passengers { get; set; }
    }
}

namespace CommercialRegistration
{
    public class DeliveryTruck
    {
        public int GrossWeightClass { get; set; }
    }
}

namespace LiveryRegistration
{
    public class Taxi
    {
        public int Fares { get; set; }
    }

    public class Bus
    {
        public int Capacity { get; set; }
        public int Riders { get; set; }
    }
}

GitHub の dotnet/samples リポジトリから、スタートコードをダウンロードすることができます。さまざまなシステムからの車両クラスがあり、異なる名前空間に存在していることがわかります。 System.Object を除いて、使用できる共通基底クラスはありません。

パターンマッチング設計

このチュートリアルで使用するシナリオでは、パターンマッチングを使用して解決するのに適した種類の問題に焦点を当てています。

操作する必要があるオブジェクトは、目標と一致するオブジェクト階層内にはありません。別個のシステムの一部であるクラスを操作する可能性があります。
追加する機能は、これらのクラスのコア抽象化の一部ではありません。車両が支払う通行料金は、車両の種類によって "変化" しますが、通行料金は車両の中心的な関数ではありません。

データの "形状" とデータに対する "操作" が一緒に記述されていない場合は、C# のパターンマッチング機能によって、作業が容易になります。

基本的な通行料金計算を実装する

最も基本的な通行料金計算は、車種にのみ依存します。

Car は $2.00。
Taxi は $3.50。
Bus は $5.00。
DeliveryTruck は $10.00。

新しい TollCalculator クラスを作成し、車種に対するパターンマッチングを実装して、通行料金の金額を取得します。 TollCalculator の最初の実装を次のコードに示します。

using System;
using CommercialRegistration;
using ConsumerVehicleRegistration;
using LiveryRegistration;

namespace Calculators;

public class TollCalculator
{
    public decimal CalculateToll(object vehicle) =>
        vehicle switch
    {
        Car c           => 2.00m,
        Taxi t          => 3.50m,
        Bus b           => 5.00m,
        DeliveryTruck t => 10.00m,
        { }             => throw new ArgumentException(message: "Not a known vehicle type", paramName: nameof(vehicle)),
        null            => throw new ArgumentNullException(nameof(vehicle))
    };
}

上記のコードでは、宣言パターンをテストする switch 式 (switch ステートメントとは異なります) が使用されています。上記のコードでは、switch 式は変数 vehicle で始まり、switch キーワードが続きます。次に、すべての switch アームが中かっこ内に指定されます。 switch 式は、switch ステートメントを囲む構文に対して、その他の絞り込みを行います。 case キーワードは省略され、各アームの結果が式になります。最後の 2 つのアームは、新しい言語機能を示しています。 { } case は、前のアームと一致しなかった null 以外のオブジェクトと一致します。このアームは、このメソッドに渡された正しくない型をキャッチします。 { } case は、車種ごとの case に従う必要があります。順序が逆になった場合は、{ } case が優先されます。最後に、null定数パターンで、このメソッドに null がいつ渡されたかを検出します。他のパターンが null 以外の正しい種類のオブジェクトのみと一致するため、null パターンを最後にすることができます。

このコードを Program.cs の次のコードを使用してテストできます。

using System;
using CommercialRegistration;
using ConsumerVehicleRegistration;
using LiveryRegistration;

using toll_calculator;

var tollCalc = new TollCalculator();

var car = new Car();
var taxi = new Taxi();
var bus = new Bus();
var truck = new DeliveryTruck();

Console.WriteLine($"The toll for a car is {tollCalc.CalculateToll(car)}");
Console.WriteLine($"The toll for a taxi is {tollCalc.CalculateToll(taxi)}");
Console.WriteLine($"The toll for a bus is {tollCalc.CalculateToll(bus)}");
Console.WriteLine($"The toll for a truck is {tollCalc.CalculateToll(truck)}");

try
{
    tollCalc.CalculateToll("this will fail");
}
catch (ArgumentException e)
{
    Console.WriteLine("Caught an argument exception when using the wrong type");
}
try
{
    tollCalc.CalculateToll(null!);
}
catch (ArgumentNullException e)
{
    Console.WriteLine("Caught an argument exception when using null");
}

このコードはスタートプロジェクトに含まれていますが、コメントアウトされています。コメントを削除することで、自分で記述したコードをテストできます。

コードとデータが分離されるアルゴリズムの作成にパターンがどのように役立つかを示す最初の例を見てきました。 switch 式によって型がテストされ、結果に基づいて別の値が生成されます。これはほんの序の口に過ぎません。

乗員料金を追加する

料金徴収機関は、車両が乗車定員を乗せて走行することを推奨したいと思っています。車両の乗員数が少ない場合は多く請求し、乗車定員の場合は料金を下げることによって、定員いっぱいでの走行を推奨することを決定しています。

乗客がいない自動車とタクシーは、$0.50 余分に支払う。
2 名の乗客がいる自動車とタクシーは、$0.50 割引される。
3 名以上の乗客がいる自動車とタクシーは、$1.00 割引される。
乗車率が 50% 未満のバスは、$2.00 余分に支払う。
乗車率が 90% を超えるバスは、$1.00 割引される。

このルールは、同じ switch 式でプロパティパターンを使用して実装できます。プロパティパターンでは、プロパティ値と定数値が比較されます。プロパティパターンでは、型が決定した後、オブジェクトのプロパティが調べられます。 Car に対する 1 つの case が、4 つの異なる case に拡張されます。

vehicle switch
{
    Car {Passengers: 0} => 2.00m + 0.50m,
    Car {Passengers: 1} => 2.0m,
    Car {Passengers: 2} => 2.0m - 0.50m,
    Car                 => 2.00m - 1.0m,

    // ...
};

最初の 3 つの case では、型を Car としてテストした後、Passengers プロパティの値がチェックされます。両方が一致した場合は、その式が評価され、結果が返されます。

タクシーに対する case も、同様の方法で拡張します。

vehicle switch
{
    // ...

    Taxi {Fares: 0}  => 3.50m + 1.00m,
    Taxi {Fares: 1}  => 3.50m,
    Taxi {Fares: 2}  => 3.50m - 0.50m,
    Taxi             => 3.50m - 1.00m,

    // ...
};

次に、次の例に示すように、バスに対する case を拡張して、乗車率ルールを実装します。

vehicle switch
{
    // ...

    Bus b when ((double)b.Riders / (double)b.Capacity) < 0.50 => 5.00m + 2.00m,
    Bus b when ((double)b.Riders / (double)b.Capacity) > 0.90 => 5.00m - 1.00m,
    Bus => 5.00m,

    // ...
};

料金徴収機関は、配送トラックの乗客数には関心がありません。代わりに、次のようにトラックの重量クラスに基づいて通行料金の金額を調整します。

5,000 lbs を超えるトラックは、$5.00 余分に請求される。
3,000 lbs を下回る軽トラックは、$2.00 割引される。

これらのルールは、次のコードで実装されます。

vehicle switch
{
    // ...

    DeliveryTruck t when (t.GrossWeightClass > 5000) => 10.00m + 5.00m,
    DeliveryTruck t when (t.GrossWeightClass < 3000) => 10.00m - 2.00m,
    DeliveryTruck => 10.00m,
};

前のコードは、switch アームの when 句を示しています。 when 句を使用して、プロパティの等価以外の条件をテストできます。完了すると、次のコードによく似たメソッドが作成されます。

vehicle switch
{
    Car {Passengers: 0}        => 2.00m + 0.50m,
    Car {Passengers: 1}        => 2.0m,
    Car {Passengers: 2}        => 2.0m - 0.50m,
    Car                        => 2.00m - 1.0m,

    Taxi {Fares: 0}  => 3.50m + 1.00m,
    Taxi {Fares: 1}  => 3.50m,
    Taxi {Fares: 2}  => 3.50m - 0.50m,
    Taxi             => 3.50m - 1.00m,

    Bus b when ((double)b.Riders / (double)b.Capacity) < 0.50 => 5.00m + 2.00m,
    Bus b when ((double)b.Riders / (double)b.Capacity) > 0.90 => 5.00m - 1.00m,
    Bus => 5.00m,

    DeliveryTruck t when (t.GrossWeightClass > 5000) => 10.00m + 5.00m,
    DeliveryTruck t when (t.GrossWeightClass < 3000) => 10.00m - 2.00m,
    DeliveryTruck => 10.00m,

    { }     => throw new ArgumentException(message: "Not a known vehicle type", paramName: nameof(vehicle)),
    null    => throw new ArgumentNullException(nameof(vehicle))
};

これらの switch アームの多くは、再帰パターンの例です。たとえば、Car { Passengers: 1} は、プロパティパターンの内部の定数パターンを示しています。

switch を入れ子にして使用することで、このコードの反復を少なくすることができます。 Car と Taxi は、どちらにも上記の例で示した 4 つの異なるアームがあります。どちらの場合も、定数パターンに取り込まれる宣言パターンを作成できます。この手法を次のコードに示します。

public decimal CalculateToll(object vehicle) =>
    vehicle switch
    {
        Car c => c.Passengers switch
        {
            0 => 2.00m + 0.5m,
            1 => 2.0m,
            2 => 2.0m - 0.5m,
            _ => 2.00m - 1.0m
        },

        Taxi t => t.Fares switch
        {
            0 => 3.50m + 1.00m,
            1 => 3.50m,
            2 => 3.50m - 0.50m,
            _ => 3.50m - 1.00m
        },

        Bus b when ((double)b.Riders / (double)b.Capacity) < 0.50 => 5.00m + 2.00m,
        Bus b when ((double)b.Riders / (double)b.Capacity) > 0.90 => 5.00m - 1.00m,
        Bus b => 5.00m,

        DeliveryTruck t when (t.GrossWeightClass > 5000) => 10.00m + 5.00m,
        DeliveryTruck t when (t.GrossWeightClass < 3000) => 10.00m - 2.00m,
        DeliveryTruck t => 10.00m,

        { }  => throw new ArgumentException(message: "Not a known vehicle type", paramName: nameof(vehicle)),
        null => throw new ArgumentNullException(nameof(vehicle))
    };

上記の例では、再帰式の使用は、プロパティの値をテストする子アームを含む Car と Taxi のアームを繰り返さないことを意味しています。この手法は、プロパティの個別の値ではなくその範囲をテストする Bus と DeliveryTruck のアームでは使用されません。

ピーク料金を追加する

最後の機能として、料金徴収機関は、時間に依存するピーク料金を追加することを望んでいます。朝と夕方のラッシュアワーの間は、通行料金を倍にします。このルールは、片方向の通行のみに影響し、朝のラッシュ時は市内に入る (インバウンド) 通行が、夕方のラッシュ時は市外に出てゆく (アウトバウンド) 通行が対象になります。平日のその他の時間帯では、通行料金は 50% 増額される。深夜と早朝の通行料金は、25% 減額される。週末は、時間に関係なく、通常料金になる。次のコードを使用して、一連の if ステートメントと else ステートメントを使ってこれを表すことができます。

public decimal PeakTimePremiumIfElse(DateTime timeOfToll, bool inbound)
{
    if ((timeOfToll.DayOfWeek == DayOfWeek.Saturday) ||
        (timeOfToll.DayOfWeek == DayOfWeek.Sunday))
    {
        return 1.0m;
    }
    else
    {
        int hour = timeOfToll.Hour;
        if (hour < 6)
        {
            return 0.75m;
        }
        else if (hour < 10)
        {
            if (inbound)
            {
                return 2.0m;
            }
            else
            {
                return 1.0m;
            }
        }
        else if (hour < 16)
        {
            return 1.5m;
        }
        else if (hour < 20)
        {
            if (inbound)
            {
                return 1.0m;
            }
            else
            {
                return 2.0m;
            }
        }
        else // Overnight
        {
            return 0.75m;
        }
    }
}

上記のコードは正常に動作しますが、読みにくいものです。コードを理解するには、すべての入力ケースと入れ子になった if ステートメントを連結する必要があります。代わりに、この機能のためにパターンマッチングを使用しますが、それは他の手法と統合します。方向、曜日、および時間帯のすべてを組み合わせた単一のパターンマッチ式を作成できますが、結果は、複雑な式になるでしょう。読みにくく、理解しにくくなるでしょう。それは、正確さを保証することを難しくします。代わりに、メソッドを組み合わせて、すべての状態を簡潔に記述する値のタプルを作成します。その後、パターンマッチングを使用して、通行料金の乗数を計算できます。タプルには、3 つの個別の条件が含まれています。

その日が平日または週末のどちらであるか。
通行料金が収集される時間帯。
方向が市内に入るほうか市外に出るほうか。

次の表に、入力値の組み合わせとピーク時の乗数を示します。

日間	Time	Direction	Premium
平日	朝のラッシュ時	インバウンド	x 2.00
平日	朝のラッシュ時	アウトバウンド	x 1.00
平日	日中	インバウンド	x 1.50
平日	日中	アウトバウンド	x 1.50
平日	夕方のラッシュ時	インバウンド	x 1.00
平日	夕方のラッシュ時	アウトバウンド	x 2.00
平日	夜間	インバウンド	x 0.75
平日	夜間	アウトバウンド	x 0.75
週末	朝のラッシュ時	インバウンド	x 1.00
週末	朝のラッシュ時	アウトバウンド	x 1.00
週末	日中	インバウンド	x 1.00
週末	日中	アウトバウンド	x 1.00
週末	夕方のラッシュ時	インバウンド	x 1.00
週末	夕方のラッシュ時	アウトバウンド	x 1.00
週末	夜間	インバウンド	x 1.00
週末	夜間	アウトバウンド	x 1.00

3 つの変数の 16 組の異なる組み合わせがあります。いくつかの条件を組み合わせることで、最終的な switch 式を簡略化します。

通行料金を収集するシステムでは、通行料金が徴収される時刻に対して DateTime 構造体を使用しています。上記の表から、変数を作成するメンバーメソッドを作成します。次の関数では、パターンマッチングの switch 式を使用して、DateTime が週末または平日のどちらを表しているかを示しています。

private static bool IsWeekDay(DateTime timeOfToll) =>
    timeOfToll.DayOfWeek switch
    {
        DayOfWeek.Monday    => true,
        DayOfWeek.Tuesday   => true,
        DayOfWeek.Wednesday => true,
        DayOfWeek.Thursday  => true,
        DayOfWeek.Friday    => true,
        DayOfWeek.Saturday  => false,
        DayOfWeek.Sunday    => false
    };

このメソッドは正しいものですが、繰り返しが含まれています。次のコードに示すように簡略化できます。

private static bool IsWeekDay(DateTime timeOfToll) =>
    timeOfToll.DayOfWeek switch
    {
        DayOfWeek.Saturday => false,
        DayOfWeek.Sunday => false,
        _ => true
    };

次に、時間をブロックに分類する同様の関数を追加します。

private enum TimeBand
{
    MorningRush,
    Daytime,
    EveningRush,
    Overnight
}

private static TimeBand GetTimeBand(DateTime timeOfToll) =>
    timeOfToll.Hour switch
    {
        < 6 or > 19 => TimeBand.Overnight,
        < 10 => TimeBand.MorningRush,
        < 16 => TimeBand.Daytime,
        _ => TimeBand.EveningRush,
    };

プライベート enum を追加して、時間の各範囲を個別の値に変換します。次に、GetTimeBand メソッドにより、リレーショナルパターンと結合 or パターンが使用されます。リレーショナルパターンを使用すると、<、>、<=、または >= の使用により数値をテストできます。 or パターンを使用すると、式が 1 つ以上のパターンに一致するかどうかをテストできます。また、and パターンを使用して、式が 2 つの異なるパターンに一致することを確認し、not パターンを使用して、式がパターンに一致しないことをテストすることもできます。

これらのメソッドを作成したら、別の switch 式とタプルパターンを使用して、割増料金を計算できます。全部で 16 のアームがある switch 式を作成できます。

public decimal PeakTimePremiumFull(DateTime timeOfToll, bool inbound) =>
    (IsWeekDay(timeOfToll), GetTimeBand(timeOfToll), inbound) switch
    {
        (true, TimeBand.MorningRush, true) => 2.00m,
        (true, TimeBand.MorningRush, false) => 1.00m,
        (true, TimeBand.Daytime, true) => 1.50m,
        (true, TimeBand.Daytime, false) => 1.50m,
        (true, TimeBand.EveningRush, true) => 1.00m,
        (true, TimeBand.EveningRush, false) => 2.00m,
        (true, TimeBand.Overnight, true) => 0.75m,
        (true, TimeBand.Overnight, false) => 0.75m,
        (false, TimeBand.MorningRush, true) => 1.00m,
        (false, TimeBand.MorningRush, false) => 1.00m,
        (false, TimeBand.Daytime, true) => 1.00m,
        (false, TimeBand.Daytime, false) => 1.00m,
        (false, TimeBand.EveningRush, true) => 1.00m,
        (false, TimeBand.EveningRush, false) => 1.00m,
        (false, TimeBand.Overnight, true) => 1.00m,
        (false, TimeBand.Overnight, false) => 1.00m,
    };

上記のコードは機能しますが、簡略化できます。週末の 8 つの組み合わせは、同じ通行料金になります。 8 つのすべてを、次の行に置き換えることができます。

(false, _, _) => 1.0m,

平日の日中と夜間のインバウンドとアウトバウンドの通行では、同じ乗数が使用されます。これら 4 つの switch アームは、次の 2 行に置換できます。

(true, TimeBand.Overnight, _) => 0.75m,
(true, TimeBand.Daytime, _)   => 1.5m,

これら 2 つの変更を行った後のコードは、次のようになります。

public decimal PeakTimePremium(DateTime timeOfToll, bool inbound) =>
    (IsWeekDay(timeOfToll), GetTimeBand(timeOfToll), inbound) switch
    {
        (true, TimeBand.MorningRush, true)  => 2.00m,
        (true, TimeBand.MorningRush, false) => 1.00m,
        (true, TimeBand.Daytime,     _)     => 1.50m,
        (true, TimeBand.EveningRush, true)  => 1.00m,
        (true, TimeBand.EveningRush, false) => 2.00m,
        (true, TimeBand.Overnight,   _)     => 0.75m,
        (false, _,                   _)     => 1.00m,
    };

最後に、通常料金を支払う 2 つのラッシュの時間帯は削除できます。これらのアームを削除した後、最後の switch アーム内の false を破棄 (_) に置き換えることができます。次のメソッドが完成します。

public decimal PeakTimePremium(DateTime timeOfToll, bool inbound) =>
    (IsWeekDay(timeOfToll), GetTimeBand(timeOfToll), inbound) switch
    {
        (true, TimeBand.Overnight, _) => 0.75m,
        (true, TimeBand.Daytime, _) => 1.5m,
        (true, TimeBand.MorningRush, true) => 2.0m,
        (true, TimeBand.EveningRush, false) => 2.0m,
        _ => 1.0m,
    };

この例では、パターンマッチングの利点の 1 つに注目しています。パターンの分岐は、順序正しく評価されます。前のほうの分岐で後ろにあるいずれかの case が処理されるようにパターンを並べ替えると、コンパイラによって到達できないコードに関する警告が表示されます。これらの言語ルールによって、コードが変化しないという自信を持って、前述した簡略化を簡単に実行できます。

パターンマッチングによって、ある種のコードが読みやすくなり、クラスにコードを追加できない場合はオブジェクト指向の手法の代替として機能します。クラウドによって、データと機能は分離されています。データの "形状" とデータに対する "操作" は、必ずしも一緒に記述されるわけではありません。このチュートリアルでは、既存のデータを、元の関数とは完全に異なる方法で使用しています。パターンマッチングでは、型を拡張できない場合でも、それらをオーバーライドする機能を記述できます。

次のステップ

GitHub リポジトリの dotnet/samples から、完成したコードをダウンロードできます。自分のパターンを調査し、通常のコーディングアクティビティにこの手法を追加してください。これらの手法を習得することで、別の方法で問題にアプローチし、新しい機能を作成できます。

チュートリアル: パターンマッチングを使用して、型ドリブンおよびデータドリブンのアルゴリズムを構築する

前提条件

パターンマッチングのシナリオ

パターンマッチング設計

基本的な通行料金計算を実装する

乗員料金を追加する

ピーク料金を追加する

次のステップ

関連項目

フィードバック

その他のリソース

チュートリアル: パターン マッチングを使用して、型ドリブンおよびデータ ドリブンのアルゴリズムを構築する

前提条件

パターン マッチングのシナリオ

パターン マッチング設計

基本的な通行料金計算を実装する

乗員料金を追加する

ピーク料金を追加する

次のステップ

関連項目

フィードバック

その他のリソース

チュートリアル: パターンマッチングを使用して、型ドリブンおよびデータドリブンのアルゴリズムを構築する

パターンマッチングのシナリオ

パターンマッチング設計