Javaにおける特異な再帰テンプレートパターン：ポリモーフィズムの独自活用

別名

• CRTP
• ミックスイン継承
• 再帰型制約
• 再帰的ジェネリック
• 静的ポリモーフィズム

特異な再帰テンプレートパターンの目的

特異な再帰テンプレートパターン（CRTP）は、Javaにおける強力なデザインパターンであり、静的ポリモーフィズムを実現するために使用されます。クラステンプレートが自身のクラスのテンプレートインスタンスから派生することで、CRTPはメソッドのオーバーライドとコンパイル時のポリモーフィックな動作を可能にし、Javaアプリケーションの効率とパフォーマンスを向上させます。

実例を用いた特異な再帰テンプレートパターンの詳細な説明

実例

図書館システムが書籍、DVD、雑誌など様々な種類のメディアを管理するシナリオを考えてみましょう。各メディアの種類には固有の属性と動作がありますが、借りたり返したりするといった共通の機能も備えています。Javaで特異な再帰テンプレートパターン（CRTP）を適用することにより、これらの共通メソッドを含む基本的なテンプレートクラス`MediaItem`を作成できます。各メディアの種類（例：`Book`、`DVD`、`Magazine`）は、自身をテンプレートパラメータとして使用して`MediaItem`を継承します。このアプローチにより、各メディアの種類は共有機能を効率的にカスタマイズでき、仮想メソッドのオーバーヘッドを回避できます。

簡単に言うと

JavaにおけるCRTPは、型内の特定のメソッドがそのサブタイプに固有の引数を受け入れることを保証し、コンパイル時により効率的で型安全なポリモーフィックな動作を可能にします。

Wikipediaによると

特異な再帰テンプレートパターン（CRTP）は、C++で生まれたイディオムであり、クラスXがX自身をテンプレート引数として使用するクラステンプレートインスタンスから派生します。

JavaにおけるCRTPのプログラミング例

格闘技イベントを企画しているプロモーションでは、試合が同じ体重階級の選手間で行われるようにすることは非常に重要です。これにより、ヘビー級とバンタム級のように、体格に大きな差がある選手同士のミスマッチを防ぐことができます。

ジェネリックインターフェース`Fighter`を定義しましょう。

public interface Fighter<T> {

    void fight(T t);

}

`MMAFighter`クラスは、体重階級で区別されるファイターをインスタンス化するために使用されます。

@Slf4j
@Data
public class MmaFighter<T extends MmaFighter<T>> implements Fighter<T> {

    private final String name;
    private final String surname;
    private final String nickName;
    private final String speciality;

    @Override
    public void fight(T opponent) {
        LOGGER.info("{} is going to fight against {}", this, opponent);
    }
}

`MmaFighter`のいくつかのサブタイプを以下に示します。

class MmaBantamweightFighter extends MmaFighter<MmaBantamweightFighter> {

    public MmaBantamweightFighter(String name, String surname, String nickName, String speciality) {
        super(name, surname, nickName, speciality);
    }
}

public class MmaHeavyweightFighter extends MmaFighter<MmaHeavyweightFighter> {

    public MmaHeavyweightFighter(String name, String surname, String nickName, String speciality) {
        super(name, surname, nickName, speciality);
    }
}

ファイターは、同じ体重階級の相手と戦うことができます。相手の階級が異なる場合は、エラーが発生します。

public static void main(String[] args) {

    MmaBantamweightFighter fighter1 = new MmaBantamweightFighter("Joe", "Johnson", "The Geek", "Muay Thai");
    MmaBantamweightFighter fighter2 = new MmaBantamweightFighter("Ed", "Edwards", "The Problem Solver", "Judo");
    fighter1.fight(fighter2);

    MmaHeavyweightFighter fighter3 = new MmaHeavyweightFighter("Dave", "Davidson", "The Bug Smasher", "Kickboxing");
    MmaHeavyweightFighter fighter4 = new MmaHeavyweightFighter("Jack", "Jackson", "The Pragmatic", "Brazilian Jiu-Jitsu");
    fighter3.fight(fighter4);
}

プログラム出力

08:42:34.048 [main] INFO crtp.MmaFighter -- MmaFighter(name=Joe, surname=Johnson, nickName=The Geek, speciality=Muay Thai) is going to fight against MmaFighter(name=Ed, surname=Edwards, nickName=The Problem Solver, speciality=Judo)
08:42:34.054 [main] INFO crtp.MmaFighter -- MmaFighter(name=Dave, surname=Davidson, nickName=The Bug Smasher, speciality=Kickboxing) is going to fight against MmaFighter(name=Jack, surname=Jackson, nickName=The Pragmatic, speciality=Brazilian Jiu-Jitsu)

Javaで特異な再帰テンプレートパターンを使用する場面

• 効率のために実行時ポリモーフィズムではなくコンパイル時ポリモーフィズムを優先しながら、継承を通じてクラスの機能を拡張する必要がある場合。
• 仮想関数のオーバーヘッドを回避しながら、ポリモーフィックな動作を実現したい場合。
• コンパイル時に選択できる関数またはポリシーの実装を提供するために、テンプレートメタプログラミングを使用する場合。
• オブジェクト階層でメソッドをチェーンするときに型競合が発生する場合。
• クラスのサブクラスを引数として受け入れることができるパラメーター化されたクラスメソッドを使用し、クラスを継承するオブジェクトに適用できるようにする場合。
• 相互の比較可能性を実現するなど、特定のメソッドを同じ型のインスタンスでのみ動作させたい場合。

特異な再帰テンプレートパターンJavaチュートリアル

• Javaにおける特異な再帰テンプレートパターン（The NuaH Blog）

Javaにおける特異な再帰テンプレートパターンの実用例

• テンプレートライブラリでコンパイル時ポリモーフィックインターフェースを実装する場合。
• 数値計算、組み込みシステム、リアルタイム処理アプリケーションなど、パフォーマンスが重要なライブラリにおけるコードの再利用性の向上。
• 様々なJavaライブラリにおける`Cloneable`インターフェースの実装。

特異な再帰テンプレートパターンのメリットとデメリット

メリット

• 仮想関数呼び出しのオーバーヘッドを排除し、パフォーマンスを向上させます。
• 多重継承に伴うリスクなしに、基本クラスのコードを安全に再利用できます。
• コンパイル時ポリモーフィズムのシナリオにおいて、より大きな柔軟性と拡張性を実現します。

デメリット

• テンプレートと継承の相互作用により、理解とデバッグが複雑になります。
• テンプレートの各インスタンス化は新しいクラスを作成するため、コードの肥大化につながる可能性があります。
• 動作は完全にコンパイル時に決定する必要があるため、実行時ポリモーフィズムと比較して柔軟性が低くなります。

関連するJavaデザインパターン

• ファクトリーメソッド：CRTPと組み合わせて、特定の型を知る事なく派生クラスをインスタンス化できます。
• 戦略：CRTPはコンパイル時戦略選択を実装できます。
• テンプレートメソッド：構造は似ていますが、CRTPはコンパイル時ポリモーフィズムによって動作のバリエーションを実現するという点で異なります。

参考文献とクレジット

• デザインパターン：再利用可能なオブジェクト指向ソフトウェアの要素
• Effective Java