【TypeScript】型の直和と直積 - 代数的データ型の実装

TypeScriptでは、複雑なデータ構造や状態を安全に扱うために「代数的データ型」（ADT: Algebraic Data Type）を実装することができます。ADTは、データの型を表現する際に直和型（Union型）と直積型（Product型）の組み合わせで構築され、型安全な状態管理や処理の分岐に役立ちます。本記事では、直和型と直積型の概念を詳しく解説し、TypeScriptでの代数的データ型の実装方法を紹介します。

直和型（Union型）とは？

直和型は、複数の型のうち1つを持つことができる型を指します。TypeScriptでは|（パイプ記号）を使って、直和型を表現します。例えば、ある変数が「文字列」または「数値」のどちらかを持つ場合、直和型を使用して型定義を行います。

直和型の基本的な例

次の例では、number型またはstring型の値を持つ変数valueを直和型で定義しています。

let value: number | string;
value = 42;    // OK
value = "Hello"; // OK
value = true;  // エラー: 'boolean'型は許可されていない

このように、numberまたはstringのどちらかが使用できることが型によって保証され、それ以外の型の値は許可されません。これにより、型安全性が向上し、実行時のエラーを未然に防ぐことができます。

直和型を使った状態管理

直和型は、オブジェクトの状態を表現する際にも有効です。例えば、APIのリクエスト状態が「成功」「失敗」「ロード中」の3つの状態を持つとします。この状態を直和型で表現すると、次のように型定義できます。

type RequestState = 
  | { status: 'loading' }
  | { status: 'success'; data: string }
  | { status: 'error'; error: string };
const handleRequest = (state: RequestState) => {
  if (state.status === 'loading') {
    console.log("Loading...");
  } else if (state.status === 'success') {
    console.log("Data:", state.data);
  } else if (state.status === 'error') {
    console.log("Error:", state.error);
  }
};

ここでは、RequestState型を使ってAPIのリクエスト状態を定義しています。このように、直和型を使うことで状態ごとのプロパティを安全に管理でき、各状態に応じた処理を行う際に、型チェックによる保証が得られます。

直積型（Product型）とは？

直積型は、複数の型を組み合わせて1つの型を構築するものです。TypeScriptでは、オブジェクトやタプルなどで直積型を表現します。直積型では、すべての型（フィールドやプロパティ）を持つことが要求されます。

直積型の基本的な例

例えば、ユーザー情報を持つオブジェクトを直積型で定義する場合は次のようになります。

type User = {
  id: number;
  name: string;
  isActive: boolean;
};
const user: User = {
  id: 1,
  name: "Alice",
  isActive: true,
};

この例では、User型がid（数値）、name（文字列）、isActive（真偽値）という3つのプロパティを持つことが定義されています。直積型では、これらすべてのプロパティが必須であり、不足している場合や異なる型が含まれる場合はエラーとなります。

タプルを使った直積型

タプルも直積型の一種で、複数の異なる型の値を持つ配列の形式です。例えば、座標を表す2つの数値（x, y）をタプル型で定義できます。

type Point = [number, number];
const point: Point = [10, 20]; // OK
const invalidPoint: Point = [10, "20"]; // エラー: 'string'型は許可されていない

このように、タプルを使うことで固定数の異なる型を持つデータをまとめて表現できます。

代数的データ型（ADT）とは？

代数的データ型（ADT: Algebraic Data Type）は、直和型と直積型を組み合わせて、複数の状態やデータ構造を型安全に表現するものです。ADTは、各状態に応じたデータを安全に管理できるため、複雑なデータ構造の扱いが簡単になります。 ADTを使用する典型的なシナリオは、状態マシンやオプション（nullを許容しないデータ）です。ADTは、以下のように直和型と直積型を組み合わせて構築されます。

代数的データ型の例：Option型

次に、Option型を実装する例を示します。Option型は値が存在するか、存在しないかを表すデータ型です。

type Option<T> = 
  | { kind: 'some'; value: T }
  | { kind: 'none' };
const someValue: Option<number> = { kind: 'some', value: 42 };
const noneValue: Option<number> = { kind: 'none' };
const handleOption = (option: Option<number>) => {
  if (option.kind === 'some') {
    console.log("Value:", option.value);
  } else {
    console.log("No value");
  }
};
handleOption(someValue); // Value: 42
handleOption(noneValue);  // No value

この例では、Option型は値が存在する場合（some）と存在しない場合（none）を表す2つの状態を持ちます。Tはジェネリック型で、Option型が任意の型の値を取り扱えるようにしています。 このように、代数的データ型を使うことで、値が存在するかどうかを型で安全にチェックし、実行時のnullエラーを防ぐことができます。

代数的データ型の例：Result型

もう一つのよくあるADTのパターンにResult型 があります。Result型は、操作が成功する場合（成功値を持つ）と、失敗する場合（エラーメッセージを持つ）を型で表現します。

type Result<T, E> = 
  | { status: 'success'; value: T }
  | { status: 'error'; error: E };
const successResult: Result<number, string> = { status: 'success', value: 100 };
const errorResult: Result<number, string> = { status: 'error', error: 'Something went wrong' };
const handleResult = (result: Result<number, string>) => {
  if (result.status === 'success') {
    console.log("Success:", result.value);
  } else {
    console.log("Error:", result.error);
  }
};
handleResult(successResult); // Success: 100
handleResult(errorResult);   // Error: Something went wrong

このResult型は、操作の結果が成功か失敗かを安全に表現し、各状態に応じた処理を強制的に実行させるため、開発者に対して明示的な型保証を提供します。

型の直和と直積を活用したメリット

TypeScriptで直和型と直積型を組み合わせた代数的データ型を実装することには、いくつかの重要なメリットがあります。

1. 型安全性の向上
   型による状態管理が明確になるため、未定義の状態や予期しないエラーを防ぎ、型安全性が大幅に向上します。
2. 複雑なロジックを簡潔に表現
   直和型と直積型を組み合わせることで、複雑なデータ構造や状態遷移を簡潔に表現でき、コードの可読性と保守性が向上します。
3. 明示的なエラーハンドリング
   ADTを使ったパターンマッチングにより、成功と失敗のケースを型で厳密に管理できるため、エラーハンドリングが明示的になります。

まとめ

TypeScriptにおける代数的データ型は、直和型と直積型を組み合わせることで、型安全かつ堅牢なデータ管理を実現します。ADTを使うことで、状態やデータ構造を正確に表現し、予期しないエラーを防ぐとともに、より明確で読みやすいコードを提供できます。代数的データ型を活用して、堅牢で保守性の高い型安全なコードを実現しましょう。