Type Class アルゴリズムとデータの鎹（かすがい）

Type Class(型クラス) とは型の性質を表現するためのクラスで、Haskellなどの関数型言語では古くから使われています。型クラスは、アルゴリズムとアルゴリズム中で使うデータ型の結合を緩やかにする、あるいは、アルゴリズム中で使うデータと実際のデータ型の型合わせをするために使われます。

例題

例えば、区間データ(start, endのフィールドを持つ)を保持するためのIntervalHolderを考えてみます。区間を保持するという意味では汎用的に書けそうなので、区間をAと置いてGenericなクラスとしてIntervalHolderを表現してみます。

class IntervalHolder[A] {
  // 区間をstartをindexとして保持したい
  private var holder = Map[Int, A]()
  def +=(a:A) {
    holder += a.start -> a  // コンパイルエラー。Aはstartを持つ型ではない
  }
}

Aにはstartというパラメータは定義されていないので、Aにinterfaceなどを加える必要があります。

型クラスを使わない場合（traitを使用）

IntervalHolderを任意のAではなく、区間を表すIntervalData traitを継承した型のみを受け付けるように変更します。

trait IntervalData {
  def start: Int
  def end: Int
}

class IntervalHolder[A <: IntervalData] {
  private var holder = Map[Int, A]()
  def +=(a:A) {
    holder += a.start -> a  // コンパイルできるようになった
  }
}

しかし実際には、区間データの表現には以下のように様々な種類が考えられます。

case class Interval(start:Int, end:Int)
case class SelectedRange(name:String, left:Int, right:Int)

これらは必ずしもstartというパラメータを持つわけではないが、区間として「みなせる」ようなデータ構造です。IntervalHolderのコードを再利用したい場合、これらの区間データのクラスをすべてIntervalData traitを継承するように書き直す必要があります。しかし、第三者の作成したライブラリ中のクラスなど、自分で書き直すのが難しい場合にはこの方法は使えません。

型クラスを使って型を合わせる

ここで登場するのが型クラスです。型クラスは任意のオブジェクトAから必要なデータ(ここではstartとend)を取り出せるように表現します。区間の性質を表す型クラス IntervalTypeを定義します。

trait IntervalType[A] {
  def start(a:A) : Int
  def end(a:A) : Int
}

IntervallHolderを型クラスであるIntervalTypeを使って書き直します。

class IntervalHolder[A](implicit iv:IntervalType[A]) {
  private var holder = Map[Int, A]()
  def +=(e:A) {
    holder += iv.start(e) -> a  // 型クラス経由でパラメータにアクセスする
  }
}

次に、implicit parameter ivをコンパイラに自動的に見つけさせるため、Interval, SelectedRangeのそれぞれについて、型クラスIntervalTypeの実装をIntervalHolderのコンパニオンオブジェクト内に作成します（コンパイラが見つけられるスコープ中にあれば他の場所に定義しても構いません）

object IntervalHolder {
  // Intervalは、IntervalTypeとして扱えるという意味
  object StandardInterval extends IntervalType[Interval] {
    def start(a:Interval) = a.start
    def end(a:Interval) = a.end
  }

  // SelectedRangeもIntervalTypeとして扱えるという意味
  object SelectedRangeAsInterval extends IntervalType[SelectedRange] {
    def start(a:SelctedRange) = a.left
    def end(a:SelectedRange) = a.right
  }
}

型クラスのインスタンスは１つあれば十分なのでobjectとして定義してあります。またimplicit paramterとして自動解決する場合にもobjectとしてあると都合がよいです。

使用例

val holder = new IntervalHolder[Interval] 
holder += Interval(1, 3)

val rangeHolder = new IntervalHolder[SelectedRange]
rangeHolder += SeletedRange("user input", 140, 180)

IntervalHolderの実装を２種類のデータ型に対して再利用することができました。今後区間を表すデータ型の種類が増えたときも、型クラスの実装を追加するだけでIntervalHolderを使えるようになります。

implicit parameterに代入される型クラスは、コンパニオンオブジェクト内に定義されているか（IntervalHolder, Interval, SelectedRangeのコンパニオンオブジェクトなどが検索対象に入る）、import文などでスコープに読み込んであれば、Aの型に合わせて対応するIntervalTypeの実装をコンパイラが見つけてきてくれます。

型クラスの応用例

Scalaに含まれているOrderingなども型クラスの一例です。def lt(x:T, y:T): Booleanなど汎用的なT型の大小を比較するための関数が定義されている型クラスで、これを使うことによりsorting, min, maxなどを求めるコードを種々のデータに対して再利用しています。