Monocleのコミッターになりました

ご無沙汰しています。最近カレーがマイブームのプロダクトグループ所属エンジニアのあおいの(@AoiroAoino)です。 私事ですが、前回書いた記事にも登場したMonocleというライブラリのコミッターになりました。 で、早速なんか記事書いてと言われました()ので、今回はとりあえず代表的な(?) Lensについて、適当に書こうかなと思います。

Lens とは?

例えば、こんな感じのデータ構造と、その適当なインスタンスがあったとします。

適当なデータ共
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case class Job(id: Int)
case class Player(name: String, job: Job)
case class Game(player: Player, stage: Int)

val game1 = Game(Player("Aoino", Job(3)), 1)

このネストしたgame1の一番深いところ、AoinoさんのJobのidを書き換えようとした時にみなさんどうしますか?

copyメソッドを使って

copyメソッドで頑張る
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game1.copy( player = game1.player.copy( job = game1.player.job.copy( id = 20 ) ) )

とするか、case class Game(...) の中に

それっぽいメソッドを定義する
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def setJob(newId: Int): Game = this match {
  case Game(Player(name, Job(id)), stage) => Game(Player(name, Job(newId)), stage)
}

ってメソッドを定義する感じですかね?

前者はcopyメソッドのネストで辛いし、後者はcase class Game内にPlayerJobが持つフィールドごとにsetXXXって一々定義するの、うーん、微妙ですね。 いっそmutableにでもしてしまった方が、直感的でわかりやすくかけたりしますよね。

もしvarだったら...
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game1.player1.job.id = 5

とはいえ、もちろんimmutableのが良いし、でもって欲張ってmutableのような表現が欲しくなっちゃいますね。そこでLensの登場です。

とてもざっくり誤解を恐れずに言うと、Lensとはgetter/setterの性質を持った関数(みたいなもの)であり、取得したり変更したいフィールドに対する参照のようなものです。 故に、Functional Reference とかって名称で呼ばれていたりもするみたいです。

さて、ではひとまずJobに対してLensを定義してみましょう。
※MonocleでLensを定義(生成)する方法は複数ありますが、次節で詳しく説明します。

Job.idに対するLens
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val idLens: Lens[Job, Int] =
  Lens[Job, Int](_.id)(i => job => job.copy(id = i))

このidLensがお待ちかねの「Jobのidに対するLens」です。 なので、この参照に対するgetメソッドに、Jobのインスタンスを渡すとidの値が得られますし、setmodifyで値を書き換えることができます。

Job.idのLensを使ってみる
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val job1 = Job(1)
val job2 = Job(2)

// get
idLens.get(job1) //=> 1
idLens.get(job2) //=> 2

// set
idLens.set(100)(job1) //=> Job(100)

// modify
idLens.modify(_ + 10)(job2) //=> Job(12)

さてさて、Jobに関しては良さそうですが、元々の話ではネストしているgame1Jobidを書き換えたいっていう話でしたね?ひとまずはGameからJobに至るまでのLensを定義しておきましょう。

GameからJobに至るまでのLens共を定義
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// Player.job
val jobLens: Lens[Player, Job] =
  Lens[Player, Job](_.job)(j => player => player.copy(job = j))

// Game.player
val playerLens: Lens[Game, Player] =
  Lens[Game, Player](_.player)(p => game => game.copy(player = p))

単純にgetするだけであれば、playerLens.getしてjobLens.getしてidLens.getすればいいですね。

ネストしたデータに対するget
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idLens.get( jobLens.get( playerLens.get(game1) ))
  //=> 3

で、setは…..こんな感じ…..かな…..

ネストしたデータに対するset
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playerLens.set(jobLens.set(idLens.set(100)(jobLens.get(playerLens.get(game1))))(playerLens.get(game1)))(game1)
   //=> Game(Player(Aoino,Job(100)),1)

んー、しかしながら、このままだとcopyやヘルパーメソッドを定義した時と比べて大変辛い….. あれ?でも特にgetの形、見覚えありませんか?はいそうです、関数合成の話でよく見かけるパターンですね。そう、Lensも同様に合成することができるんです。

※そもそも元になったHaskellの場合、Lens は(実装方法にもよりますが?)関数として表現され、合成関数として表されます。 しかし、残念ながらMonocleの場合、Lensはデータ構造として表現されているので、厳密には「関数の合成」ではないですけれど。

MonocleでLensを合成する場合はcomposeLensメソッドを使用します。関数を合成する時と同様、順番には注意です。

composeLens版
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// get
(playerLens composeLens jobLens composeLens idLens) get game1
  //=> 3

// set
(playerLens composeLens jobLens composeLens idLens).set(20)(game1)
  //=> Game(Player(Aoino,Job(20)),1)

// modify
(playerLens composeLens jobLens composeLens idLens).modify(_ + 7)(game1)
  //=> Game(Player(Aoino,Job(10)),1)

またはcomposeLensのエイリアスメソッドである^|->を使用するともう少し短くかけます。

^|-> 版
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// get
(playerLens ^|-> jobLens ^|-> idLens) get game1
  //=> 3

// set
(playerLens ^|-> jobLens ^|-> idLens).set(20)(game1)
  //=> Game(Player(Aoino,Job(20)),1)

// modify
(playerLens ^|-> jobLens ^|-> idLens).modify(_ + 7)(game1)
  //=> Game(Player(Aoino,Job(10)),1)

さてさて、ご覧の通りスッキリ書けましたね? Lensの合成は冒頭で述べた通り「取得したり変更したいフィールドに対する参照のようなもの」であり、その参照してるフィールドに対して、値を取得したり、書き換えたりができるというのがお分かり頂けたかと思います。

このように、Lens はネストしたデータに対するimmutableで簡潔な操作を提供してくれる素敵な概念です。

Monocleを試してみよう

さて、今度はMonocleでLensを定義する方法に焦点を当ててみようと思います。 前節ではgetter/setterを渡して自前で頑張っていましたが、Lensを定義する方法はv1.2.0-M1現在、三種類あります。

自前で頑張る

前節で説明のためにgetter/setterを渡して自前で作った方法です。

自前で頑張る
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import monocle.Lens

val idLens: Lens[Job, Int] =
  Lens[Job, Int](_.id)(i => job => job.copy(id = i))

カリー化されていますが、第一引数がgetter、第二引数がsetterです。一応setterの方は引数の順番に注意が必要です。 定義に忠実なので理解しやすいですが、いざ自分で定義しようとするといささか面倒な方法です。

GenLensマクロを使う

恐らく、MonocleでLensを定義しようとした際に一番使われている生成方法です。 内部的には上記自前で頑張るコードをマクロで生成してるだけです。

基本的なGenLensの使い方
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import monocle.Lens
import monocle.macros.GenLens

val idLens:  Lens[Job, Int]     = GenLens[Job, Int](_.id)
val jobLens: Lens[Player, Job]  = GenLens[Player, Job](_.job)
val idLens:  Lens[Game, Player] = GenLens[Game, Player](_.player)

また、以下のような使い方もできます。

分割して定義する
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import monocle.Lens
import monocle.macros.GenLens

val gen: GenLens[Game] = GenLens[Game]

val playerLens: Lens[Game, Player] = gen(_.player)
val stage:      Lens[Game, Int]    = gen(_.stage)
ネストした case class に対するLensをいきなり作る
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import monocle.Lens
import monocle.macros.GenLens

val idLens: Lens[Game, Int] = GenLens[Game](_.player.job.id)

自前で定義するよりも楽で、次に紹介する@Lensesよりも扱いやすいので、基本的にはGenLensを使えばいいと思います。

@Lensesマクロアノテーションを使う

case class定義時に@Lensesアノテーションをつけると、コンパニオンオブジェクト内に各プロパティに対するLensが定義されます。 macro paradise を使用した機能なので、(例えばsbtで開発を行う場合は)下記プラグインを追加する必要があります。

project/plugin.sbt
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addCompilerPlugin("org.scalamacros" %% "paradise" % "2.1.0-M5" cross CrossVersion.full)

使い方は以下の通り。

@Lensesマクロアノテーションの使い方
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@Lenses
case class Game(player: Player, stage: Int)

// コンパニオンオブジェクト内に player, stage に対するLensが生成される
Game.player.get(game1) //=> Player(Aoino,Job(3))
Game.stage.get(game1)  //=> 1

大変強力な機能ですが、そもそも macro paradise が experimental な機能であり、また、case class定義時にしか使用できない為、 以外と扱いにくいのが現状です。あくまで実験的な機能と捉えるのがいいでしょう。

おまけ

MonocleのREADMEに従って、build.sbtファイルを書けばすぐにでも使い始めることができますが、もっと簡単にMonocleを試せるようgiter8のテンプレートを作ってみました。
※giter8の導入方法に関しては、giter8のREADMEを参照してください。

使い方は簡単で、

テンプレート生成
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$ g8 aoiroaoino/monocle-template

をコマンドラインで実行し、名前やScala, Monocleのバージョンなどを指定してやるだけです。 何も指定しない場合、ScalaやMonocleのバージョンはデフォルトで最新を指定するようになっているので、とりあえずnameだけ指定してやればいいと思います。

まとめ

今回はLensについてのみざっくりと適当に書きましたが、ほかにもPrismやTraversalなどの概念があり、Optics(LensやらPrismやらの総称)は大変興味深く非常に面白い概念です。 これがHaskellだけでなく、Scalaでも使えるなんてとてもワクワクしますね!以上、あおいの(@AoiroAoino)がお送りしました。

(´-`).oO(あ、個人的に弊社では、MonocleやOpticsに興味のあるエンジニアさんを募集しています!