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Listの実装から学ぶScala & 関数型プログラミング入門
- 3. アジェンダ 3
- 10. このJavaのコードが class MyClass { private int index; private String name; public MyClass(int index, String name) { this.index = index; this.name = name; } } 10
- 11. Scalaだとこんな感じ ↓ Scalaだとこんなにスッキリかける ボイラープレートが減っていい感じ class MyClass (i: Int, n: String){ var index = i var name = n } class MyClass (var index: Int, var name: String) 11
- 12. Java 7 Java 8 //名前 大文字 含 判定 boolean nameHasUpperCase = false; for (int i = 0; i < name.length(); ++i) { if (character.isUpperCase(name.charAt(i))){ nameHasUpperCase=true; break; } } boolean nameHasUpperCase = name.chars().anyMatch( (intch) -> Character.isUpperCase((char)ch); ) 12
- 13. Scala ↓ ↓ val nameHasUpperCase: Boolean = name.exists{ (char: Char) => char.isUpper } // 型推論 型宣言省略可 val nameHasUpperCase: Boolean = name.exists(char => char.isUpper) // 関数内 一度 出 引数 _ 省略化 val nameHasUpperCase = name.exists(_.isUpper) 13
- 17. 関数型の特徴 関数を引数にとったり、変数に入れる事ができる(first class object) 一度入れたものは変更不可能(immutable) 副作用がない(参照透過性) 状態を持たない 17
- 21. 関数を引数に取れる 変数に代入できる val nameHasUpperCase: Boolean = name.exists{char => char.isUpper } // char => char.isUpper 引数 Char 取 Boolean 返 関数 val f = (x: Int) => x * 2 // 変数 入 事 ( 場合 引数 型 省略 ) 21
- 22. 一度入れたものは変更不可能 scala> val x = 2 x: Int = 2 scala> x = x + 1 <console>:12: error: reassignment to val x = x + 1 ^ scala> val y = x + 1 // 新 値 返 y: Int = 3 scala> x // 元 変数 変更 res1: Int = 2 22
- 23. immutableの例 JavaのStringはimmutableである 副作用がある例 String hoge = "abcde" String reverse = hoge.toUpperCase() System.out.println(hoge) //abcde List<Int> list = new ArrayList<Int>(1,2,3,4,5) ShuffleList.suffle(list) System.out.println(list) //25341 23
- 27. JavaのList scala> val javaList: java.util.List[Int] = new java.util.ArrayList[Int]() javaList: java.util.List[Int] = [] scala> javaList res1: java.util.List[Int] = [] scala> javaList.add(1) res2: Boolean = true scala> javaList // java 変更可 res3: java.util.List[Int] = [1] scala> javaList.add(2) res4: Boolean = true 27
- 29. ScalaのList scala> val scalaList = Nil // Nil 空 表 scalaList: scala.collection.immutable.Nil.type = List() scala> val intList = 1 :: Nil //:: 追加 intList: List[Int] = List(1) scala> scalaList //元 変数 変化 res1: scala.collection.immutable.Nil.type = List() scala> val intList2 = 2 :: intList // 要素 前 追加 intList2: List[Int] = List(2, 1) 29
- 30. JavaのListにはない便利なメソッド 2の倍数を2倍したリストを作成する時 // java List<Int> list = new ArrayList<Int>(1,2,3,4); List<Int> doubleList = new ArrayList<Int>(); for(Int num: list) { if(num % 2 == 0){ doubleList.add(num * 2) } } // scala val doubleList = List(1,2,3,4,5).filter{x => x % 2 == 0 }.map(x => x * 2) 30
- 31. Listのメソッドについて リストには関数を渡すメソッドが多くあるforループを使う必要がなくなるので､記述が短くなる新しいリストが返されるので､パイプ処理のようにメソッドを繋いでいける 31
- 36. さっそく作ってみよう 36
- 41. Listとデータ構造の実装 41
- 42. Listとなるclassを作成 sealed abstract class MyList[+A] case object MyNil extends MyList[Nothing] case class MyCons[B]( head: B, tail: MyList[B] ) extends MyList[B] 42
- 48. Listはこのように表現される [] = MyNil [1] = MyCons(1,MyNil) [1,2] = MyCons(1,MyCons(2,MyNil)) [1,2,3] = MyCons(1,MyCons(2,MyCons(3,MyNil))) 48
- 49. objectとは? Javaでいうsingletonクラスインスタンスが一つだけ生成される // MyNil 何 状態 表現可能 為､ 一 十分 case object MyNil extends MyList[Nothing] 49
- 52. NothingとはNothingとはすべてのクラスの基底クラス(サブクラス) Nothing -> Int, Nothing -> String など 52
- 53. 非変と共変 非変MyList[A] MyList[String] のList[Any] のサブクラスではない 共変MyList[+A] MyList[String] -> List[Any] のサブクラスである 53
- 54. 非変のリストだと scala> sealed abstract class MyList[+A] defined class MyList scala> case object MyNil extends MyList[Nothing] defined object MyNil scala> case class MyCons[B]( hd: B, tl: MyList[B]) extends MyList[B] defined class MyCons scala> val list: MyList[Int] = MyNil //空 表現 <console>:13: error: type mismatch; found : MyNil.type required: MyList[Int] 54
- 55. この三行だけでも色々学べる sealed abstract class MyList[+A] case object MyNil extends MyList[Nothing] case class MyCons[B]( head: B, tail: MyList[B] ) extends MyList[B] 55
- 56. headとtail,isEmptyを持たせる sealed abstract class MyList[+A] { val head: A val tail: MyList[A] def isEmpty: Boolean } case object MyNil extends MyList[Nothing] { val head: Nothing = throw new NoSuchElementException("head of empty MyList") val tail: MyList[Nothing] = throw new NoSuchElementException("tail of empty MyList") def isEmpty = true } case class MyCons(head: A tail: MyList[A]) extends MyList[A] { def isEmpty = false 56
- 57. case classの機能 case class MyCons(head: A tail: MyList[A]) extends MyList[A] { // case class 場合､引数 物 宣言 def isEmpty = false } 57
- 58. MyNilについて 本家のNilを真似て､headとtailが参照されようとすると､例外を投げるようにした case object MyNil extends MyList[Nothing] { val head: Nothing = throw new NoSuchElementException("head of empty MyList") val tail: MyList[Nothing] = throw new NoSuchElementException("tail of empty MyList") def isEmpty = true } 58
- 59. MyListのインスタンスを作成 sealed abstract class MyList[+A] {...} case object MyNil extends MyList[Nothing] {...} case class MyCons[B]( head: B, tail: MyList[B] ) extends MyList[B] {...} object MyList { def apply[A](x: A*): MyList[A] = { if (x.isEmpty) MyNil else MyCons(x.head, apply(x.tail: _*)) } } 59
- 62. case classの機能その2 case class は暗黙的にコンパニオンオブジェクトが生成されるその際､applyも暗黙的に定義される def apply[A](x: A*): MyList[A] = { if (x.isEmpty) MyNil // MyCons case class 為､ // 用意 else MyCons(x.head, apply(x.tail: _*)) } // 暗黙的 定義 // object MyCons { // def apply[A](head:A,tail:MyList[A]) = new MyCons(head, tail) //} 62
- 63. A*とは 可変長引数と呼ぶAの型のオブジェクトをコンマ区切りで要素をsequenceとして入れる事ができるMyList(1,2,3,4,5)とする事で引数にSeq(1,2,3,4,5)を渡す事ができる //1,2,3,4,5 区切 入 x Seq[A] 変換 def apply[A](x: A*): MyList[A] = { // x = Seq(1,2,3,4,5) if (x.isEmpty) MyNil // seq 引数 時 _* 使用 else MyCons(x.head, apply(x.tail: _*)) } 63
- 64. 要素を追加できるようにする sealed abstract class MyList[+A] { val head: A val tail: MyList[A] def isEmpty: Boolean // 要素追加 持 def ::[B >: A](x: B): MyList[B] = ??? } 64
- 65. :: (要素追加) 65
- 66. 要素を追加するメソッドを作成 def ::[B >: A](x: B): MyList[B] = MyCons(x,this) 66
- 68. 例 Man -> Human -> Creature scala> class Creature defined class Creature scala> class Human extends Creature defined class Human scala> class Man extends Human defined class Man 68
- 69. scala> val list = MyList[Human]() //型 直接指定 事 list: MyList[Human] = MyNil scala> val CreatureList = new Creature :: list CreatureList: MyList[Creature] = MyCons(Creature@5e9b30c4,MyNil) scala> val HumanList = new Human :: list HumanList: MyList[Human] = MyCons(Human@27d684d6,MyNil) // Human型 下 下限 Human型扱 scala> val ManList = new Man :: list ManList: MyList[Human] = MyCons(Man@7670cb40MyNil) 69
- 70. メソッド名が:で終わる物について scala> val a = List(1,2,3,4) a: List[Int] = List(1, 2, 3, 4) scala> a.::(5) res0: List[Int] = List(5, 1, 2, 3, 4) scala> a res1: List[Int] = List(1, 2, 3, 4) scala> 0 :: a // 呼 出 res2: List[Int] = List(0, 1, 2, 3, 4) 70
- 71. Listのデータ構造の完成 scala> val list = List(1,2,3,4,5) // 作成 際 ､new list: MyList[Int] = MyList(1, MyList(2, MyList(3, MyList(4, MyList scala> list.head // 一番最初 要素 取得 res1: Int = 1 scala> list.tail // 以外 取得 res2: MyList[Int] = MyList(2, MyList(3, MyList(4, MyList(5, MyNil scala> list // 副作用 res3: MyList[Int] = MyList(1, MyList(2, MyList(3, MyList(4, MyList scala> val newList = 0 :: list // 追加 res4: MyList[Int] = MyList(0,MyList(1, MyList(2, MyList(3, MyList 71
- 74. インターフェースを定義 sealed abstract class MyList[+A] { ... def reverse: MyList[A] = ??? def map[B](f: A => B): MyList[B] = ??? def flatMap[B](f: A => MyList[B]): MyList[B] = ??? def filter[B](f: A => Boolean): MyList[B] = ??? def foreach[B](f: A => Unit): Unit = ??? def foldLeft[B](z: B)(f: (B, A) => B): B = ??? def foldRight[B](z: B)(f: (A, B) => B): B = ??? 74
- 75. reverse 75
- 76. 目標 scala> val a = List(1,2,3,4) //a: List[Int] = List(1, 2, 3, 4) scala> a.reverse //a: List[Int] = List(4, 3, 2, 1) 76
- 77. ダメな例(例えば) def reverse: A = { var currentList = this var newList = MyNil // var 使 mutable 方 while(currentList.isEmpty){ var newList = currentList.head :: newList var currentList = currentList.tail } newList } 77
- 81. def reverse: MyList[A] = { // target 短 acc 形成 // target 空MyNil 時 acc 返 def loop(target: MyList[A],acc: MyList[A] = MyNil) = { target match { case MyNil => acc case MyCons(head,tail) => loop(tail,head ::acc) } } loop(this) } 81
- 83. クラスの要素分解について case MyCons(h,t) とする事で､hは最初の要素､tはそれ以外という変数に束縛されるここではMyConsのunapplyメソッド(抽出メソッド)の戻り値に依存するMyCons(h,t) == MyCons.unapply(this) 83
- 84. case classの機能その3 applyと同じくunapplyも暗黙的に定義されるここを変更する事で､パターンマッチの時に使える変数を変更できる object MyCons { def unapply(c: MyCons[A]):Option[(A,MyList[A])] = (c.head,c.tail) } 84
- 86. map 86
- 88. 目標 scala> val a = List(1,2,3,4) //a: List[Int] = List(1, 2, 3, 4) scala> a.map(x => x * 2) res0: List[Int] = List(2, 4, 6, 8) scala> a.map(_.toString) // 型 変更化 res1: List[String] = List("1", "2", "3", "4") 88
- 89. // 例 def map[B](f:A => B): MyList[B] = { if(isEmpty) MyNil else f(head) :: tail.map(f) } 89
- 91. mapメソッドを末尾再帰で作る def map[B](f:A => B): MyList[B] = { def loop(target: MyList[A],acc: MyList[B] = MyNil) = { target Match { case MyNil => acc // 自分 呼 出 終了 case MyCons(head,tail) => loop(tail,f(head) :: acc) } } loop(this) } 91
- 92. リストが逆になるのでreverseメソッドを使う｡ def map[B](f:A => B): MyList[B] = { def loop(target: MyList[A],acc: MyList[B] = MyNil) = { target match { case MyNil => acc case MyCons(head,tail) => loop(tail,f(head) :: acc) } } loop(this).reverse } 92
- 93. デフォルト値の指定 引数にデフォルト値を設定できる引数に何も指定されていない場合はデフォルト値を使用する def loop(target: MyList[A],acc: MyList[B] = MyNil) = ... //第2引数 時､acc MyNil loop(this).reverse 93
- 94. filter 94
- 95. filterとは Booleanを返す関数(述語関数)でTrueの要素だけ残すList(1,2,3,4,5,6).filter(x => x % 2 == 0) = List(2,4,6) 95
- 96. 目標 scala> val list = List(1,2,3,4) //a: List[Int] = List(1, 2, 3, 4) scala> list.filter(x => x % 2 == 0) res0: List[Int] = List(2,4) 96
- 97. 実装はこんな感じ def filter(f:A => Boolean): MyList[B] = { def loop(target: MyList[A],acc: MyList[B] = MyNil) = { target match { case MyNil => acc case MyCons(head,tail) if f(head) => loop(tail,head :: acc) case _ => loop(tail,acc) } } loop(this).reverse } 97
- 99. flatMap 99
- 100. flatMapとは ネストしたListを一つのListにしてくれるList(List(1,2,3),List(4,5),List(6)) => List(1,2,3,4,5,6) flatten + map 100
- 101. 目標 scala> val list = List(1,2,3,4) //a: List[Int] = List(1, 2, 3, 4) scala> list.map(x => List(x,x)) res0: List[Int] = List(List(1,1),List(2,2,),List(3,3),List(4,4)) scala> list.flatMap(x => List(x,x)) res1: List[Int] = List(1,1,2,2,3,3,4,4) 101
- 102. 要素を結合するメソッドが必要 102
- 103. :::(List結合) 103
- 104. 要素を追加するメソッドを作成 def :::[B >: A](l: MyList[B]): MyList[B] = { def loop(a1: MyList[B], a2: MyList[B]) = { a1 match { case MyNil => a2 case MyCons(h,t) => MyCons(h, loop(t, a2)) } } loop(l,this) } 104
- 105. 実装はこんな感じ def flatMap(f:A => MyList[A]): MyList[B] = { def loop(target: MyList[A],acc: MyList[B] = MyNil)= { target match { case MyNil => acc case MyCons(head,tail) => loop(tail,f(head) ::: acc) } } loop(this).reverse } 105
- 106. foreach 106
- 108. 目標 scala> val a = List(1,2,3,4) //a: List[Int] = List(1, 2, 3, 4) scala> a.foreach(x => println(x)) 1 2 3 4 108
- 109. 実装はこんな感じ def foreach(f: A => Unit): Unit = { this match { case MyNil => () // Unit () 表 case MyCons(head, tail) => { f(head) t.foreach(f) } } } 109
- 110. foldLeft 110
- 112. 目標 scala> val list = List(1,2,3,4) // list: List[Int] = List(1, 2, 3, 4) // acc 関数 結果 蓄積 scala> list.foldLeft("0"){ (acc,x) => | acc + x.toString | } res0: String = "01234" 112
- 113. 実装はこんな感じ def foldLeft[B](z: B)(f: (B, A) => B): B = { def loop(l: List[A], acc: B)(f: (B, A) => B) = l match { case Nil => acc case Cons(h,t) => loop(t, f(acc,h))(f) } loop(this,z)(f) } 113
- 114. foldLeftでいままでのメソッドを書き 換え可能 def map[B](f: A => B): MyList[B] = foldLeft[MyList[B]](MyNil) { (acc, xs) => f(xs) :: acc }.reverse 114
- 115. foldRight 115
- 116. foldRight fold(畳み込み) + Left(一番後ろから) foldLeftとほぼ同じだが､accが第二引数の方になるListを後ろの要素から順に関数を適用する難易度高め 116
- 117. 目標 scala> val list = List(1,2,3,4) // list: List[Int] = List(1, 2, 3, 4) scala> list.foldRight("5"){ (x,acc) => | acc + x.toString | } res0: String = "54321" 117
- 118. 実装はこんな感じ def foldRight[B](z: B)(f: (A, B) => B): B = { def loop(xs: MyList[A], acc: B => B = identity) = { xs match { case MyNil => acc case MyCons(h,t) => loop(t,x => acc(f(h,x))) } } loop(this)(z) } 118
- 119. 関数は引数が決まるまで評価されない 内側から実行される-> 右から関数適用 List(1,2,3,4,5) 場合 List(1,2,3,4,5).foldRight(0)((x,acc) => x + acc) (1,(2,3,4,5)) => loop((2,3,4,5), x => f(1,x)) (2,(3,4,5) => loop((3,4,5), x => f(1,f(2,x))) (3,(4,5) => loop((4,5), x => f(1,f(2,f(3,f(4,f(5,x))))) 119
- 120. 最低限の機能のListが完成! scala> val a = MyList(1,2,3,4,5) a: MyList[Int] = MyCons(1,MyCons(2,MyCons(3,MyCons(4,MyCons(5,MyNil scala> a.map(x => x * 2) res1: MyList[Int] = MyCons(2,MyCons(4,MyCons(6,MyCons(8,MyCons(10 scala> a.filter(x => x % 2 == 0) res2: MyList[Int] = MyCons(2,MyCons(4,MyNil)) scala> a.flatMap(x => x :: x :: MyNil) res3: MyList[Int] = MyCons(1,MyCons(1,MyCons(2,MyCons(2,MyCons(3 scala> a.foreach(println) 1 2 3 120
- 121. ちなみに 実際のscala.collection.immutable.Listでは､末尾再帰を用いず､手続き型で書いている手続き型でやっている事が関数型のインターフェースでラッピングされている final override def map[B, That](f: A => B)(implicit bf: CanBuildFrom[List[A], B, . . val h = new ::[B](f(head), Nil) var t: ::[B] = h var rest = tail while (rest ne Nil) { val nx = new ::(f(rest.head), Nil) t.tl = nx t = nx rest = rest.tail } . . } 121
- 123. 目指せ全実装! 123
- 124. まとめ Listの実装は､scalaにあってjavaにはない機能に沢山触れる事ができる更に､関数型の基礎的な部分を学習できるscalaをある程度理解してきたタイミングでこれをやると効果的 124
- 125. オススメの参考書 125
- 128. ご静聴ありがとうございました 128