Swiftで学ぶ関数合成の基本：カスタム演算子で作る読みやすいコード

はじめに：関数とは何か

プログラマーは毎日のように関数と向き合っています。関数とは、ある入力値に対して必ず何らかの出力値が対応する、特別な種類の関係を表すものです。より一般的に言えば、関数とは「入力値を出力値へ対応付けるルール」だと言えます。

関数合成（Function Composition）とは

関数合成の基本的な考え方は、「ある関数を、別の関数の結果に対して適用する」というものです。つまり、複数の関数を1つの関数へと組み合わせる数学的な概念です。

数学的な基礎から理解する

まずは数学の概念とともに見ていきましょう。上の図では「f」と「g」という2つの関数が登場します。これらの関数は次のように表現できます。

f: A -> B
g: B -> C

この2つの関数を合成すると、「g ∘ f」（g アフター f と読みます）として表せます。

(g ∘ f): A -> C
(g ∘ f)(a) = g(f(a))　※a は A の任意の要素

簡単な例で具体的に確認してみましょう。

f(a) = 2a + 3
g(a) = 3a + 5

(g ∘ f)(a) = g(f(a))
           = 3(f(a)) + 5
           = 3(2a + 3) + 5
           = 6a + 14

この概念は数学だけのものではありません。プログラミング言語にも応用でき、そのような考え方を中心とする言語は「関数型プログラミング言語」と呼ばれます。この概念を理解すると、コードの可読性が向上し、他のプログラマーにとっても理解しやすいコードになります。

関数型プログラミング言語としてのSwift

嬉しいことに、Swiftも関数型プログラミングの特徴を備えた言語です。Swiftにおいて関数は非常に重要な役割を担っており、日々の開発で必ずと言っていいほど扱うことになります。Swiftの関数は値を返すことができ、その戻り値を別の関数の入力として利用できます。これはごく一般的なプログラミング手法です。

Swiftで関数合成を実装する

ここで、整数の配列があるとしましょう。そこから「重複のない偶数のみを取り出し、それぞれを2乗した配列」を得たいとします。通常は次のようなコードを書くことになるでしょう。

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]

let result = Array(Set(numbers.filter { $0 % 2 == 0 }).map { $0 * $0 })
// [4, 16, 36, 64]

このコードは正しい結果を返しますが、処理が一行に詰め込まれており可読性は決して高くありません。また、呼び出し順序が直感と逆に感じられ、経験の浅いプログラマーには混乱を招く可能性があります。分析しづらいコードになってしまうのです。

そこで登場するのが関数合成です。ジェネリクス、クロージャ、中置演算子（infix operator）を組み合わせることで、関数合成を実現できます。

カスタム演算子「>>>」の定義

infix operator >>> : AdditionPrecedence

func >>> <T, U, V>(
    left: @escaping (T) -> U,
    right: @escaping (U) -> V
) -> (T) -> V {
    return { right(left($0)) }
}

上記のコードで何が行われているのか、順番に見ていきましょう。

1. カスタムの中置演算子「>>>」を宣言しています。結合規則は左結合で、優先順位は「+」演算子と同じに設定しています。
2. 中置演算子と同じ名前の関数を宣言しています。この関数は T、U、V の3つのジェネリクスを使用し、2つのクロージャを引数として受け取ります。
3. 左辺のパラメータはクロージャで、型 T の入力を受け取り、型 U の出力を返します。
4. 右辺のパラメータもクロージャで、型 U の入力を受け取り、型 V の出力を返します。
5. >>> 関数は、型 (T) -> V の関数（クロージャ）を返します。返されるクロージャは型 T の入力を受け取り、型 V の出力を返します。ここで、左辺パラメータの出力が右辺パラメータの入力になっています。

left : (T) -> U
right: (U) -> V

出力の型: (T) -> V

関数合成の数学的な表現を理解していれば、Swiftでの実装がそれとまったく同じ構造であることが分かるでしょう。

6. 関数本体では、左辺パラメータの結果に対して右辺パラメータを適用した結果を返しています。

関数合成を使った実装例

同じ結果（重複のない偶数を2乗した配列）を、関数合成を使って得てみましょう。

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]

let filterEvens = { (values: [Int]) -> [Int] in
    values.filter { $0 % 2 == 0 }
}

let uniquify = { (values: [Int]) -> [Int] in
    Array(Set(values))
}

let squareAll = { (values: [Int]) -> [Int] in
    values.map { $0 * $0 }
}

let result = (filterEvens >>> uniquify >>> squareAll)(numbers)
// [4, 16, 36, 64]

これは同じ結果を返す関数のチェーンです。処理の順序が人間の思考の流れと一致しているため、可読性が大きく向上し、誰にとっても理解しやすいコードになっています。

まとめ

関数合成は、複数の小さな関数を組み合わせて1つの処理の流れを作る強力なテクニックです。Swiftではカスタム演算子とジェネリクスを組み合わせることで、数学的な概念をそのままコードに反映できます。処理を小さな関数に分割し、合成でつなげることで、保守性と可読性の高いコードを目指しましょう。

最後までお読みいただきありがとうございました！