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後戻りのある手続き型プログラミング

段階的なメニューなどを実装する際に直面する問題を解決します。C#で実装しています。 このライブラリのリポジトリはこちら→ https://github.com/NumAniCloud/CommandBackStack

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後戻りのある 手続き型プログラミング by ナムアニクラウド
後戻りのある処理とは
段階的メニュー 作戦選択 スキル選択 対象選択 次のキャラ
段階的メニュー 作戦選択 スキル選択 対象選択 次のキャラ キャンセル操作 でもって 後戻りができる
本日のサンプルプログラム
サンプルプログラム 以下のようなプログラムを通じて考えよう: • ユーザーから数値入力を3回受け付け、それぞれ x, y, z と呼ぶ • 最後に x + y + z を計算して表示する • ユーザーは「cancel」と入力することで、ひとつ前の数値入力 をやり直すことができる
> サンプルプログラムの動作例 キャンセルしない場合
>> 1 > サンプルプログラムの動作例 キャンセルしない場合
>> 1 > > 1 > 2 > サンプルプログラムの動作例 キャンセルしない場合
>> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 6 サンプルプログラムの動作例 キャンセルしない場合
> サンプルプログラムの動作例 キャンセルする場合
>> 1 > サンプルプログラムの動作例 キャンセルする場合
>> 1 > > 1 > 2 > サンプルプログラムの動作例 キャンセルする場合
>> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > cancel > サンプルプログラムの動作例 キャンセルする場合
>> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > cancel > サンプルプログラムの動作例 キャンセルする場合 > 1 > 2 > cancel > 100 >
>> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > cancel > サンプルプログラムの動作例 キャンセルする場合 > 1 > 2 > cancel > 100 > > 1 > 2 > cancel > 100 > 3 104
キャンセルを考慮しない場合 var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) return; Console.WriteLine(just3.Value); キャンセルされたときは、おとなしく終了してみる。 まず InputTargetAsync, FMap, Just について説明します→
キャンセルを考慮しない場合 var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) return; Console.WriteLine(just3.Value); 今回のサンプルコードのために用意したメソッドを軽く紹介 InputIntegerAsync メソッド: () → Task<IMaybe<int>> ユーザーに数値を入力してもらう。 成功すると Just<int>, 失敗すると Nothing<int> を返す
キャンセルを考慮しない場合 var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) return; Console.WriteLine(just3.Value); 今回のサンプルコードのために用意した型を軽く紹介 IMaybe<T> インターフェース Just<T>, Nothing<T> という派生クラスがある。 一言でいうとnullの代わり
キャンセルを考慮しない場合 var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) return; Console.WriteLine(just3.Value); 今回のサンプルコードのために用意したメソッドを軽く紹介 FMap メソッド: (this Task<IMaybe<T>>, Func<T, T2>) → Task<IMaybe<T2>> 元となったTask<IMaybe<T>>の中身を射影して返す。
キャンセルの扱い ◆ユーザー入力の結果 Nothing<int> 型の値が得られたら、そ の数値入力がキャンセルされたということにし、その前のユー ザー入力をリトライしたい。 ◆一方で、ユーザー入力の結果 Just<int> 型の値が得られたら、 次の入力へ進みたい。 自明な要件： - 1番目の入力がキャンセルされたときは、0番目の入力というのは無いので、1番目の入力をリトラ イする。 - 最後の入力が成功したときは、メニューにおける操作は全てできたということで処理全体が終了。
つらい！キャンセル処理
実装がつらい // while で無理やり実装した例 while (true) { var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) continue; while (true) { var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) break; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) continue; Console.WriteLine(just3.Value); return; } }
実装がつらい // while で無理やり実装した例 while (true) { var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) continue; while (true) { var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) break; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) continue; Console.WriteLine(just3.Value); return; } } 1回目の入力。 キャンセルされたら もう一度入力を受け取る 2回目の入力。 キャンセルされたら 1回目の入力に戻りたい 3回目の入力。 キャンセルされたら 2回目の入力に戻りたい
実装がつらい // while で無理やり実装した例 while (true) { var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) continue; while (true) { var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) break; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) continue; Console.WriteLine(just3.Value); return; } } ループが挟まることで、 何を実装したいのかの意図が 埋もれやすくなってしまった これは3段階なのでまだマシ つらさ
実装がつらい // gotoで無理やり実装した例 First: var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) goto First; Second: var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) goto First; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) goto Second; Console.WriteLine(just3.Value);
実装がつらい // gotoで無理やり実装した例 First: var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) goto First; Second: var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) goto First; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) goto Second; Console.WriteLine(just3.Value); 1番目は、キャンセルされると 1番目をリトライ 2番目は、キャンセルされると 1番目をリトライ 3番目は、キャンセルされると 2番目をリトライ
実装がつらい // gotoで無理やり実装した例 First: var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) goto First; Second: var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) goto First; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) goto Second; Console.WriteLine(just3.Value); gotoを使って後戻りをすると、ちょっと したミスで分かりづらいバグを呼ぶ ラベル名があるおかげでwhileを使った 例よりも直感的 つらさ
節3:LINQ to 後戻り いきなり完成形からいきます
完成形 var result = await PhaseProcess.Entry<Unit>() .Then(async _ => await InputIntegerAsync()) .Then(async x => await InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)) .Then(async y => await InputIntegerAsync().FMap(p => y + p)) .Run(Unit.Id); Console.WriteLine(result); 今回はLINQを使った手法で実現しました！ PhaseProcess な る新しいクラスが今回の肝 Entryメソッドで書き始めて、後戻りの各段階でやりたい処理 をThenメソッドで繋げていって、最後にRunで実行できる
キャンセル無しの場合の比較 var result = await PhaseProcess.Entry<Unit>() .Then(async _ => await InputIntegerAsync()) .Then(async x => await InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)) .Then(async y => await InputIntegerAsync().FMap(p => y + p)) .Run(Unit.Id); Console.WriteLine(result); var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) return; Console.WriteLine(just3.Value); キャンセル無し キャンセルあり 今回の手法
完成形と、キャンセル無しの場合の比較 var result = await PhaseProcess.Entry<Unit>() .Then(async _ => await InputIntegerAsync()) .Then(async x => await InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)) .Then(async y => await InputIntegerAsync().FMap(p => y + p)) .Run(Unit.Id); Console.WriteLine(result); var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) return; Console.WriteLine(just3.Value); キャンセル無し キャンセルあり 今回の手法 キャンセル無しの場合 と同程度に、処理の流 れが追いやすいはず
完成形と、キャンセル無しの場合の比較 var result = await PhaseProcess.Entry<Unit>() .Then(async _ => await InputIntegerAsync()) .Then(async x => await InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)) .Then(async y => await InputIntegerAsync().FMap(p => y + p)) .Run(Unit.Id); Console.WriteLine(result); var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; var z = await InputIntegerAsync().FMap(p => just2.Value + p); if (z is not Just<int> just3) return; Console.WriteLine(just3.Value); キャンセル無し キャンセルあり 今回の手法 IMaybeを外す処理も ついでにサポート
節4: 後戻りのあるforeach
Foreachでも後戻りがしたい キャラ1の作戦 キャラ1のスキル キャラ1の攻撃対象 キャラ2の作戦 キャラ2のスキル キャラ2の攻撃対象 キャラ3の作戦 キャラ3のスキル キャラ3の攻撃対象 コマンドRPGとかだと、複数のキャラクターが各々に段階的メニューを 通じて行動を決定する場合がある
サンプルプログラム 以下のようなプログラムを書きたい： • ユーザーから数値入力を6回受け付ける • それぞれ p1, p2, p3, p4, p5, p6 と呼ぶ • 最後に (p1+p2)*(p3+p4)*(p5+p6) を計算して表示する • ユーザーは「cancel」と入力することで、ひとつ前の数値入力 をやり直すことができる
サンプルプログラムの動作例 4回目の入力でキャンセルをする >
サンプルプログラムの動作例 4回目の入力でキャンセルをする >> 1 >
サンプルプログラムの動作例 4回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 >
サンプルプログラムの動作例 4回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 >
サンプルプログラムの動作例 4回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 > > 1 > 2 > 3 > cancel >
サンプルプログラムの動作例 4回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 > > 1 > 2 > 3 > cancel > > 1 > 2 > 3 > cancel > 4 >
サンプルプログラムの動作例 4回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 > > 1 > 2 > 3 > cancel > > 1 > 2 > 3 > cancel > 4 > > 1 > 2 > 3 > cancel > 4 > 5 >
サンプルプログラムの動作例 4回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 > > 1 > 2 > 3 > cancel > > 1 > 2 > 3 > cancel > 4 > > 1 > 2 > 3 > cancel > 4 > 5 > > 1 > 2 > 3 > cancel > 4 > 5 > 6 >
サンプルプログラムの動作例 4回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 > > 1 > 2 > 3 > cancel > > 1 > 2 > 3 > cancel > 4 > > 1 > 2 > 3 > cancel > 4 > 5 > > 1 > 2 > 3 > cancel > 4 > 5 > 6 > > 1 > 2 > 3 > cancel > 4 > 5 > 6 > 7 351 (1+2)*(4+5)*(6+7) = 351
サンプルプログラムの動作例 5回目の入力でキャンセルをする >
サンプルプログラムの動作例 5回目の入力でキャンセルをする >> 1 >
サンプルプログラムの動作例 5回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 >
サンプルプログラムの動作例 5回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 >
サンプルプログラムの動作例 5回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 > > 1 > 2 > 3 > 4 >
サンプルプログラムの動作例 5回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 > > 1 > 2 > 3 > 4 > > 1 > 2 > 3 > 4 > cancel >
サンプルプログラムの動作例 5回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 > > 1 > 2 > 3 > 4 > > 1 > 2 > 3 > 4 > cancel > > 1 > 2 > 3 > 4 > cancel > 5 >
サンプルプログラムの動作例 5回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 > > 1 > 2 > 3 > 4 > > 1 > 2 > 3 > 4 > cancel > > 1 > 2 > 3 > 4 > cancel > 5 > > 1 > 2 > 3 > 4 > cancel > 5 > 6 >
サンプルプログラムの動作例 5回目の入力でキャンセルをする >> 1 > > 1 > 2 > > 1 > 2 > 3 > > 1 > 2 > 3 > 4 > > 1 > 2 > 3 > 4 > cancel > > 1 > 2 > 3 > 4 > cancel > 5 > > 1 > 2 > 3 > 4 > cancel > 5 > 6 > > 1 > 2 > 3 > 4 > cancel > 5 > 6 > 7 312 (1+2)*(3+5)*(6+7) = 312
foreachでも後戻りがしたい var list = new List<int>(); foreach (var i in Enumerable.Range(0, 3)) { var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; list.Add(just2.Value); } Console.WriteLine(list.Aggregate((a, b) => a * b)); これがキャンセルを考慮しない実装 2回の入力を1セットとして、 3回繰り返す
foreachでも後戻りがしたい var list = new List<int>(); foreach (var i in Enumerable.Range(0, 3)) { var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; list.Add(just2.Value); } Console.WriteLine(list.Aggregate((a, b) => a * b)); foreachループを使う場合、繰り返しをまた いで後戻りできる必要がある i = 2 のときにここで キャンセルされたら 戻り先はここ (ただし i = 1)
完成形 var result = await PhaseProcess.ForEach(Enumerable.Range(0, 3), builder => { return builder.Then(i => InputIntegerAsync()) .Then(x => InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)); }) .Run(Unit.Id); Console.WriteLine(result.Aggregate((a, b) => a * b)); あるイテレーションの最初でキャンセルすると、その前のイテ レーションの最後がリトライされる。 PhaseProcess.ForEach がそういった処理を担ってくれる
完成形 ラムダ式のこの戻り値は PhaseProcess<Unit, int> 型 あるイテレーションの最初でキャンセルすると、その前のイテ レーションの最後がリトライされる。 PhaseProcess.ForEach がそういった処理を担ってくれる var result = await PhaseProcess.ForEach(Enumerable.Range(0, 3), builder => { return builder.Then(i => InputIntegerAsync()) .Then(x => InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)); }) .Run(Unit.Id); Console.WriteLine(result.Aggregate((a, b) => a * b));
キャンセルなしとの比較 foreach (var i in Enumerable.Range(0, 3)) { var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; } PhaseProcess.ForEach(Enumerable.Range(0, 3), builder => { return builder.Then(i => InputIntegerAsync()) .Then(x => InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)); }; キャンセル無し 今回の手法 キャンセルあり
キャンセルなしとの比較 foreach (var i in Enumerable.Range(0, 3)) { var x = await InputIntegerAsync(); if (x is not Just<int> just) return; var y = await InputIntegerAsync().FMap(p => just.Value + p); if (y is not Just<int> just2) return; } PhaseProcess.ForEach(Enumerable.Range(0, 3), builder => { return builder.Then(i => InputIntegerAsync()) .Then(x => InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)); }); キャンセル無し 今回の手法 キャンセルあり
まとめ • キャンセルによる後戻りがあるような段階的な制御を、LINQ 的に扱えるようにしました • キャンセル処理が必要ない場合と似たノリで書けます • そのうちGitHubとかに実装を上げます
おわり
ちょっと待って？ モナド
フェーズ 今回のような後戻りできる制御において、後戻り1回ごとに遡っ ていく単位となるメソッドを「フェーズメソッド」とか「フェー ズ」と呼んでます
フェーズの合成 // PhaseProcess のことを PP と書くことにします PP<int, int> phase1 = PP.Entry<int>().Then(x => 12); PP<int, string> phase2 = PP.Entry<int>().Then(x => x.ToString()); PP<string, bool> phase3 = PP.Entry<string>().Then(x => x == “”); PP<int, bool> bound = phase1.Then(phase2).Then(phase3); PhaseProcess型の値に対する合成について考えることができる。 あるフェーズでの処理の戻り値は、次のフェーズでの処理の引数 となる
フェーズの合成：実は利用してる var result = await PhaseProcess.ForEach(builder => { return builder.Then(_ => InputIntegerAsync()) .Then(x => InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)) .Then(y => InputIntegerAsync().FMap(p => y + p)); }, Enumerable.Range(0, 3)) .Map(list => list.Aggregate((a, b) => a * b).ToMaybe()) .Run(Unit.Id); Console.WriteLine(result); これは先ほどのforeachの例
フェーズの合成：実は利用してる 全体としての型が PhaseProcess<Unit, int> 全体としての型が PhaseProcess<int, int> Thenとは違うラムダ式を取ってる var result = await PhaseProcess.ForEach(builder => { return builder.Then(_ => InputIntegerAsync()) .Then(x => InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)) .Then(y => InputIntegerAsync().FMap(p => y + p)); }, Enumerable.Range(0, 3)) .Map(list => list.Aggregate((a, b) => a * b).ToMaybe()) .Run(Unit.Id); Console.WriteLine(result);
フェーズの合成：実は利用してる var result = await PhaseProcess.ForEach(builder => { return builder.Then(_ => InputIntegerAsync()) .Then(x => InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)) .Then(y => InputIntegerAsync().FMap(p => y + p)); }, Enumerable.Range(0, 3)) .Map(list => list.Aggregate((a, b) => a * b).ToMaybe()) .Run(Unit.Id); Console.WriteLine(result); ForEachの機能は、フェーズの 合成を駆使して実現してます
合成に対する単位元がある var result = await PhaseProcess.Entry<Unit>() .Then(async _ => await InputIntegerAsync()) .Then(async x => await InputIntegerAsync().FMap(p => x + p)) .Then(async y => await InputIntegerAsync().FMap(p => y + p)) .Run(Unit.Id); Console.WriteLine(result); PhaseProcess.Entry<T>() で得られるインスタンスは 「何もしない、キャンセルに関わらない」フェーズを表す。 これを他のフェーズと合成しても何も変わらない。 この”単位元”の型は PhaseProcess<T, T>
恐らく結合法則が成り立つ // PhaseProcess のことを PP と書くことにします PP<int, int> p = PP.Entry<int>(); PP<int, string> q = PP.Entry<int>().Then(x => x.ToString()); PP<string, bool> r = PP.Entry<string>().Then(x => x == “”); PP<int, bool> combined1 = (p.Bind(q)).Bind(r); PP<int, bool> combined2 = p.Bind(q.Bind(r)); フェーズの連鎖が3つ (p, q, r) があって、更にそれらを全て結 合したい。 ここでpとqを先に結合しても、qとrを先に結合しても、結果 的に得られる処理の流れは同じであることが仕様として期待さ れるはず
フェーズの性質 • 単位元がある • フェーズ同士の合成ができる • フェーズ同士の合成には結合法則が成り立つ
フェーズの性質 それってモナドじゃね？ • 単位元がある • フェーズ同士の合成ができる • フェーズ同士の合成には結合法則が成り立つ
• 単位元がある • フェーズ同士の合成ができる • フェーズ同士の合成には結合法則が成り立つ フェーズの性質 それってモナドじゃね？
モナドといえば 皆さんご存知のモナドがあります: Task<T> 型 今回紹介した仕組みって、実は SynchronizationContext ある いは Task-like を適切に実装することでも実現できるのかもし れない
本当のおわり ご清聴ありがとうございました
その他の補助メソッド:Map // Mapメソッド // 値を射影する // 以下の「処理2」がキャンセルされると、「Map処理」ではなく「処理1」が再実行される PhaseProcess<int, string> x = PhaseProcess.Entry<int>() .Then(async x => x.ToString().ToMaybe()) // 処理1 .Map(x => (x + 1).ToMaybe()) // Map処理 .Then(async x => (x == “”).ToMaybe()); // 処理2
その他の補助メソッド:Do // Doメソッド // ユーザー定義の副作用を起こす // 以下の「処理2」がキャンセルされると、「Map処理」ではなく「処理1」が再実行される PhaseProcess<int, string> x = PhaseProcess.Entry<int>() .Then(async x => x.ToString().ToMaybe()) // 処理1 .Do(x => Console.WriteLine(x)) // Map処理 .Then(async x => (x == “”).ToMaybe()); // 処理2
PhaseProcessのメソッド群 メソッド キャンセル を要求 キャンセル を受入 値を変換 ラムダ式を 実行 Then YES YES YES YES Map YES YES YES Do YES
今後の展望 • PhaseProcessって名前あまり気に入ってないので考えたい • PhaseProcess.Entry<int>().Then() が長いので省略できるやつ欲し い • モナドとして見た場合の実装方法を考えてみたい • 各フェーズのメソッドの戻り値が Task<IMaybe<T>> でなければな らないが、Task<T> も許したい // やりたいことに対して冗長 var intToString1 = PhaseProcess.Entry<int>() .Then(async x => x.ToString().ToMaybe()); // 必要十分 var intToString2 = PhaseProcess.Entry<int>(async x => x.ToString());

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