型推論

Crystal の哲学は型制約をなるべく減らすことです。しかし、どうしても型制約が必要になる場合もあります。

このようなクラスの定義を考えてください。

class Person
  def initialize(@name)
    @age = 0
  end
end

@ageが整数型だということは一目で分かりますが、@nameの型は分かりません。Person クラスでのすべての使われ方から型を推論することは不可能ではありません。ですが、そのようにするといくつかの問題が生じます。

  • コード読む際に型が明確でない。型を知るためにはPerson中でどのように使われているかすべてを確認する必要があります。
  • コンパイル速度の問題。メソッドの解析を一度に処理したり、インクリメンタルコンパイルをすることがほとんど不可能になります。

コードベースが育ってきたときにこれらの問題は顕著になります。プロジェクトの全容の把握は困難になり、コンパイル時間は耐え難いほど長くなるでしょう。

これらの理由から、Crystal ではインスタンス変数とクラス変数の型ははっきり分かるように書くことを要求します。

Crystal に型を理解させる方法はいくつかあります。

型制約を指定する場合

もっとも単純で、そしておそらくもっとも面白くない方法が、明示的に型制約を指定することです。

class Person
  @name : String
  @age : Int32

  def initialize(@name)
    @age = 0
  end
end

型制約を指定しない場合

明示的に型制約をしなかった場合、コンパイラは構文上の規則からインスタンス変数・クラス変数の型を推論しようとします。

あるインスタンス変数・クラス変数について、その規則が適用されて型が予想できたとき、その型は一旦記憶されます。そして、これ以上適用する規則がなくなったとき、記憶された型のユニオン型として推論されます。さらに、コンパイラが型を推論した変数が初期化されていないとき、Nil も型に加えられます。

規則はいくつかありますが、ほとんどの場合最初のものを利用することになるでしょう。他のものは記憶しなくてもよいです。コンパイラがインスタンス変数の型を推論できずエラーが起こったときは、明示的に型制限を追加することもできます。

これらの規則はインスタンス変数に関するものとして記述されていますが、クラス変数に対しても同様に扱われます。紹介していきます。

1. リテラルの代入

リテラルがインスタンス変数に代入されているとき、リテラルの型が予想された型として記憶されます。すべてのリテラルはそれに対応する型を持っています。

次の例で、@nameString に、@ageInt32 に推論されます。

class Person
  def initialize
    @name = "John Doe"
    @age = 0
  end
end

この規則やその他すべての規則は、initialize以外のメソッドに対しても適用されます。例をあげます。

class SomeObject
  def lucky_number
    @lucky_number = 42
  end
end

この場合、@lucky_numberInt32 | Nil に推論されます。Int32 は 42 が代入されているためで、 Nil は初期化されていないために、そのようになります。

2. クラスメソッド new の呼び出し結果の代入

Type.new(...) のような式をインスタンス変数に代入しているとき、型 Type が予想された型として記憶されます。

次の例で、@addressAddress に推論されます。

class Person
  def initialize
    @address = Address.new("somewhere")
  end
end

この規則はジェネリック型にも適用されます。この例で、@valuesArray(Int32) に推論されます。

class Something
  def initialize
    @values = Array(Int32).new
  end
end

注意: new メソッドが再定義されている場合もあります。この場合、その他の規則で型が推論できれば、newで返る型に推論できるでしょう。

3. 型制約を持った引数の代入

次の例で @nameString に推論されます。これは nameString の型制約を持ち、@name に代入されているためです。

class Person
  def initialize(name : String)
    @name = name
  end
end

メソッドの引数の名前は特に重要ではありません。次のようにしても動作します。

class Person
  def initialize(obj : String)
    @name = obj
  end
end

より簡潔に、メソッドの引数にインスタンス変数を指定しても同じ結果を得られます。

class Person
  def initialize(@name : String)
  end
end

Also note that the compiler doesn't check whether a method argument is reassigned a different value:

class Person
  def initialize(name : String)
    name = 1
    @name = name
  end
end

In the above case, the compiler will still infer @name to be String, and later will give a compile time error, when fully typing that method, saying that Int32 can't be assigned to a variable of type String. Use an explicit type restriction if @name isn't supposed to be a String.

4. 型制約のあるクラスメソッドの呼び出し結果の代入

次の例で、@addressAddress に推論されます。これはクラスメソッド Address.unknown に戻り値の型制約として Address が指定されているためです。

class Person
  def initialize
    @address = Address.unknown
  end
end

class Address
  def self.unknown : Address
    new("unknown")
  end

  def initialize(@name : String)
  end
end

実際のところ、上記のコードではself.unknownの型制約は必要ありません。なぜなら、コンパイラはクラスメソッドの本体を見て、これまで説明してきた規則 (new メソッドの呼び出し、単純なリテラル、など) が適用できる場合に、式の型を推論するためです。よって、上記は次のように簡潔に書けます。

class Person
  def initialize
    @address = Address.unknown
  end
end

class Address
  # ここの戻り値の型制約は必要ない
  def self.unknown
    new("unknown")
  end

  def initialize(@name : String)
  end
end

この追加の規則は、よくあるnewを呼ぶだけのコンストラクタ的なメソッドに対して動作するため非常に便利です。

5. デフォルト値のある引数の代入

次の例で、name のデフォルト値は文字列リテラルで、それが @name に代入されているため、結果 String に推論されます。

class Person
  def initialize(name = "John Doe")
    @name = name
  end
end

これは短かい書き方をしても同様に動作します。

class Person
  def initialize(@name = "John Doe")
  end
end

デフォルト値は Type.new(...) の形や戻り値の型制約のあるクラスメソッドでもよいです。

6. lib 関数の呼び出し結果の代入

lib 関数 は明示的な型を持つため、それがインスタンス変数に代入されたとき、コンパイラは戻り値の型を予想できます。

次の例で、@ageInt32 に推論されます。

class Person
  def initialize
    @age = LibPerson.compute_default_age
  end
end

lib LibPerson
  fun compute_default_age : Int32
end

7. lib 式の out の利用

lib 関数 は明示的な型を持つため、ポインタ型の引数が期待される場所で out 形式でインスタンス変数が渡されたとき、そのポインタ型をデリファレンスしたものとして予想します。

次の例で、@ageInt32 に推論されます。

class Person
  def initialize
    LibPerson.compute_default_age(out @age)
  end
end

lib LibPerson
  fun compute_default_age(age_ptr : Int32*)
end

その他の規則

なるべく明示的な型制約を少なくできるよう、コンパイラは賢く動作しようとします。例えば、if 式のthen 節と else 節で型推論された場合を考えます。

class Person
  def initialize
    @age = some_condition ? 1 : 2
  end
end

上記の if (正確には参考演算子ですが if と同様です) は整数リテラルを返すので、@age は正しく Int32 と推論され、型制約は必要ありません。

他にも ||||= の場合にも上手く動作することがあります。

class SomeObject
  def lucky_number
    @lucky_number ||= 42
  end
end

上の例で @lucky_numberInt32 | Nil と推論されます。これは初期化が遅延される場合に便利でしょう。

これはコンパイラにとって (そして人間からしても) 容易な場合、定数を使った場合も上手く動作します。

class SomeObject
  DEFAULT_LUCKY_NUMBER = 42

  def initialize(@lucky_number = DEFAULT_LUCKY_NUMBER)
  end
end

ここでは規則5 (引数のデフォルト値) が利用されています。そして定数が整数リテラルに解決されるので、@lucky_numberInt32 に推論されます。

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