判別共用体 (F#)

  • [アーティクル]

判別共用体は、数多くの名前付きケースのうちのいずれかである可能性がある値をサポートします。ケースの値や型が、それぞれ異なる場合もあります。 判別共用体は、異種データ、有効ケースやエラー ケースなどの特殊なケースを持つ可能性のあるデータ、インスタンスごとに型が異なるデータ、小さいオブジェクト階層に対する代替手段などの場合に役立ちます。 さらに、再帰的な判別共用体は、ツリー データ構造を表すために使用されます。

type type-name =
   | case-identifier1 [of [ fieldname1 : ] type1 [ * [ fieldname2 : ] type2 ...]
   | case-identifier2 [of [fieldname3 : ]type3 [ * [ fieldname4 : ]type4 ...]
   ...

解説

判別共用体は他の言語の共用体型と似ていますが、異なる点もあります。 C++ の共用体型や Visual Basic のバリアント型と同じように、値に格納されるデータは固定ではありません。複数の異なるオプションのいずれかを格納できます。 ただし、これら他の言語の共用体とは異なり、有効な各オプションにはケース識別子が指定されます。 ケース識別子には、使用できる各種の値の型の名前を指定します。指定した型のオブジェクトは値の型として使用できます。値は省略可能です。 値を省略する場合は、ケースが列挙型のケースと等しくなります。 値がある場合は、各値に、指定した型の単一値、あるいは同じ型または異なる型の複数のフィールドを集約したタプルを使用できます。 F# 3.1 では、個々のフィールドに名前を付けることができますが、同じケースの他のフィールドに名前が付けられていても、名前は省略可能です。

たとえば、Shape 型の次のような宣言を検討します。

type Shape =
    | Rectangle of width : float * length : float
    | Circle of radius : float
    | Prism of width : float * float * height : float

前のコードでは、判別共用体の Shape を宣言します。これには四角形、円、およびプリズムの 3 つのケースのいずれかの値を指定できます。 各ケースに異なるフィールド セットがあります。 四角形の場合は、2 つの名前付きフィールドがあり、両方とも float 型で、幅と長さの名前が付いています。 円の場合は、1 つの名前付きフィールドがあり、半径の名前が付いています。 プリズムの場合は、3 つのフィールドがあり、そのうち 2 つは Unnamed フィールドと名付けられ、匿名フィールドと呼ばれます。

次の例では、名前付きフィールドと匿名フィールドに値を設定してオブジェクトを構築します。

let rect = Rectangle(length = 1.3, width = 10.0)
let circ = Circle (1.0)
let prism = Prism(5., 2.0, height = 3.0)

このコードは、初期化時に名前付きフィールドを使用することも、宣言時のフィールドの順序に依存して各フィールドの値のみを順番に提供することもできることを示します。 前のコードの rect のコンストラクターの呼び出しでは名前付きフィールドを使用しますが、circ のコンストラクター呼び出しでは順序を使用します。 prism の構造のように、順序付きフィールドと名前付きフィールドを混在させることができます。

option 型は、F# コア ライブラリの単純な判別共用体です。 option 型は、次のように宣言されます。

// The option type is a discriminated union.
type Option<'a> =
    | Some of 'a
    | None

このコードでは、Option 型が、Some と None の 2 つのケースを持つ判別共用体として指定されています。 Some ケースには、型が型パラメーター 'a によって表される 1 つの匿名フィールドで構成される、関連付けられた値があります。 None ケースには、関連する値はありません。 したがって、option 型は、なんらかの型の値を持つジェネリック型、または値を持たないジェネリック型を指定します。 また、Option 型には小文字の型のエイリアス option があり、より一般的に使用されます。

ケース識別子は、判別共用体型のコンストラクターとして使用できます。 たとえば、option 型の値を作成するには、次のようなコードが使用されます。

let myOption1 = Some(10.0)
let myOption2 = Some("string")
let myOption3 = None

ケース識別子は、パターン マッチ式でも使用されます。 パターン マッチ式では、個別のケースに関連付けられる値に対して識別子が提供されます。 たとえば、次のコードの x は、option 型の Some ケースと関連付けられた値が指定された識別子です。

let printValue opt =
    match opt with
    | Some x -> printfn "%A" x
    | None -> printfn "No value."

パターン一致式では、名前付きフィールドを使用して判別共用体一致を指定できます。 前に宣言された Shape 型には、次のコードに示すように、フィールドの値を抽出するために名前付きフィールドを使用できます。

let getShapeHeight shape =
    match shape with
    | Rectangle(height = h) -> h
    | Circle(radius = r) -> 2. * r
    | Prism(height = h) -> h

通常は、共用体の名前で、修飾せずにケース識別子を使用できます。 名前を共用体の名前で常に修飾する場合は、RequireQualifiedAccess 属性を共用体の型定義に適用できます。

オブジェクト階層ではなく、判別共用体を使用する場合

多くの場合、小さいオブジェクト階層をさらに簡単に表すために判別共用体を使用できます。 たとえば、円や正方形などの派生型を持つ Shape 基底クラスの代わりに、次の判別共用体を使用できます。

type Shape =
  // The value here is the radius.
| Circle of float
  // The value here is the side length.
| EquilateralTriangle of double
  // The value here is the side length.
| Square of double
  // The values here are the height and width.
| Rectangle of double * double

オブジェクト指向の実装で使用される、面積や周を計算するための仮想メソッドの代わりに、パターン マッチを使用して、これらの量を計算するための適切な式に分岐できます。 次の例では、図形に応じて、異なる数式を使用して面積を計算しています。

let pi = 3.141592654

let area myShape =
    match myShape with
    | Circle radius -> pi * radius * radius
    | EquilateralTriangle s -> (sqrt 3.0) / 4.0 * s * s
    | Square s -> s * s
    | Rectangle (h, w) -> h * w

let radius = 15.0
let myCircle = Circle(radius)
printfn "Area of circle that has radius %f: %f" radius (area myCircle)

let squareSide = 10.0
let mySquare = Square(squareSide)
printfn "Area of square that has side %f: %f" squareSide (area mySquare)

let height, width = 5.0, 10.0
let myRectangle = Rectangle(height, width)
printfn "Area of rectangle that has height %f and width %f is %f" height width (area myRectangle)

出力は次のとおりです。

Area of circle that has radius 15.000000: 706.858347
Area of square that has side 10.000000: 100.000000
Area of rectangle that has height 5.000000 and width 10.000000 is 50.000000

ツリー データ構造への判別共用体の使用

判別共用体は再帰的に使用できます。つまり、共用体自体を 1 つ以上のケースの型に含めることができます。 再帰的な判別共用体を使用してツリー構造を作成でき、このツリー構造をプログラミング言語での式のモデル化に使用できます。 次のコードでは、再帰的な判別共用体を使用して、バイナリ ツリーのデータ構造を作成しています。 この共用体を構成する 2 つのケースは、整数値および左と右のサブツリーを持つノードである Node と、ツリーを終了する Tip です。

type Tree =
    | Tip
    | Node of int * Tree * Tree

let rec sumTree tree =
    match tree with
    | Tip -> 0
    | Node(value, left, right) ->
        value + sumTree(left) + sumTree(right)
let myTree = Node(0, Node(1, Node(2, Tip, Tip), Node(3, Tip, Tip)), Node(4, Tip, Tip))
let resultSumTree = sumTree myTree

このコードでは、resultSumTree の値は 10 です。 次の図は、myTree のツリー構造を示しています。

myTree のツリー構造

判別共用体のツリー ダイアグラム

判別共用体は、ツリーのノードが異種の場合でも、問題なく機能します。 次のコードの Expression 型は、数と変数の加算と乗算をサポートする簡単なプログラミング言語での式の抽象構文ツリーを表します。 共用体の一部のケースは再帰的ではなく、数 (Number) または変数 (Variable) を表します。 他のケースは再帰的で、演算 (Add および Multiply) を表し、オペランドも式です。 Evaluate 関数では、match 式を使用して再帰的に構文ツリーを処理しています。

type Expression = 
    | Number of int
    | Add of Expression * Expression
    | Multiply of Expression * Expression
    | Variable of string

let rec Evaluate (env:Map<string,int>) exp = 
    match exp with
    | Number n -> n
    | Add (x, y) -> Evaluate env x + Evaluate env y
    | Multiply (x, y) -> Evaluate env x * Evaluate env y
    | Variable id    -> env.[id]

let environment = Map.ofList [ "a", 1 ;
                               "b", 2 ;
                               "c", 3 ]

// Create an expression tree that represents 
// the expression: a + 2 * b. 
let expressionTree1 = Add(Variable "a", Multiply(Number 2, Variable "b"))

// Evaluate the expression a + 2 * b, given the 
// table of values for the variables. 
let result = Evaluate environment expressionTree1

このコードを実行すると、result の値は 5 になります。

参照

その他の技術情報

F# 言語リファレンス