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Javaにおけるパイプラインパターン：モジュール式コンポーネントによるデータ処理の効率化

振る舞いAPI設計データ処理デカップリング拡張性機能分解スケーラビリティ約3分

別名

  • 一連の操作
  • 処理パイプライン

パイプラインデザインパターンの目的

Javaのパイプラインデザインパターンは、個別の段階にわたるデータ処理を容易にし、モジュール式開発と運用効率を向上させるために設計されています。

パイプラインパターンの詳細な説明と現実世界の例

現実世界の例

Javaパイプラインデザインパターンの実際的な例は、自動車製造などの組立ラインに見られ、その効率性とスケーラビリティを示しています。

このアナロジーでは、自動車製造プロセスはいくつかの個別の段階に分割され、各段階は自動車組立の特定の部分を処理します。例えば

  1. シャーシ組立：車の基本フレームが組み立てられます。
  2. エンジン取り付け：エンジンがシャーシに取り付けられます。
  3. 塗装：車が塗装されます。
  4. 内装組立：座席やダッシュボードを含む内装が取り付けられます。
  5. 品質管理：完成した車が欠陥がないか検査されます。

Javaパイプラインパターンでは、各段階は独立して順次機能し、スムーズなデータフローと容易な変更を保証します。ある段階の出力（例：部分的に組み立てられた車）は、次の段階の入力になります。このモジュール式のアプローチにより、容易なメンテナンス、スケーラビリティ（例：段階に作業員を追加）、柔軟性（例：より高度なバージョンで段階を置き換える）が可能になります。ソフトウェアパイプラインと同様に、ある段階の変更は他の段階に影響を与えず、継続的な改善と効率的な生産を促進します。

簡単に言うと

パイプラインパターンは、部分的な結果が段階から段階へと渡される組立ラインです。

Wikipediaによると

ソフトウェアエンジニアリングにおいて、パイプラインは処理要素（プロセス、スレッド、コルーチン、関数など）の連鎖からなり、各要素の出力が次の要素の入力となるように配置されています。この名前は物理的なパイプラインになぞらえています。

Javaにおけるパイプラインパターンのプログラミング例

文字列処理パイプラインの例を作成してみましょう。パイプラインの段階はHandlerと呼ばれます。

interface Handler<I, O> {
    O process(I input);
}

文字列処理の例では、3つの異なる具体的なHandlerがあります。

class RemoveAlphabetsHandler implements Handler<String, String> {
  // ...
}

class RemoveDigitsHandler implements Handler<String, String> {
  // ...
}

class ConvertToCharArrayHandler implements Handler<String, char[]> {
  // ...
}

これは、ハンドラーを1つずつ収集して実行するPipelineです。

class Pipeline<I, O> {

    private final Handler<I, O> currentHandler;

    Pipeline(Handler<I, O> currentHandler) {
        this.currentHandler = currentHandler;
    }

    <K> Pipeline<I, K> addHandler(Handler<O, K> newHandler) {
        return new Pipeline<>(input -> newHandler.process(currentHandler.process(input)));
    }

    O execute(I input) {
        return currentHandler.process(input);
    }
}

そして、これが文字列を処理するPipelineの実行例です。

public static void main(String[] args) {
    LOGGER.info("Creating pipeline");
    var filters = new Pipeline<>(new RemoveAlphabetsHandler())
            .addHandler(new RemoveDigitsHandler())
            .addHandler(new ConvertToCharArrayHandler());
    var input = "GoYankees123!";
    LOGGER.info("Executing pipeline with input: {}", input);
    var output = filters.execute(input);
    LOGGER.info("Pipeline output: {}", output);
}

コンソール出力

07:34:27.069 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.App -- Creating pipeline
07:34:27.072 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.App -- Executing pipeline with input: GoYankees123!
07:34:27.074 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.RemoveAlphabetsHandler -- Current handler: class com.iluwatar.pipeline.RemoveAlphabetsHandler, input is GoYankees123! of type class java.lang.String, output is 123!, of type class java.lang.String
07:34:27.075 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.RemoveDigitsHandler -- Current handler: class com.iluwatar.pipeline.RemoveDigitsHandler, input is 123! of type class java.lang.String, output is !, of type class java.lang.String
07:34:27.075 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.ConvertToCharArrayHandler -- Current handler: class com.iluwatar.pipeline.ConvertToCharArrayHandler, input is ! of type class java.lang.String, output is [!], of type class [Ljava.lang.Character;
07:34:27.075 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.App -- Pipeline output: [!]

Javaでパイプラインパターンを使用する場合

パイプラインパターンを使用する場面

  • 一連の段階でデータを処理する必要がある場合。
  • 処理の各段階が独立しており、容易に置き換えたり、順序を変更したりできる場合。
  • データ処理コードのスケーラビリティと保守性を向上させたい場合。

パイプラインパターンJavaチュートリアル

Javaにおけるパイプラインパターンの現実世界のアプリケーション

  • データ変換とETL（抽出、変換、ロード）プロセス。
  • 字句解析、構文解析、意味解析、コード生成などのさまざまな段階を経てソースコードを処理するコンパイラ。
  • 複数のフィルターが順次適用される画像処理アプリケーション。
  • メッセージがフォーマット、フィルタリング、出力のために複数のハンドラーを通過するロギングフレームワーク。

パイプラインパターンのメリットとトレードオフ

メリット

  • デカップリング：パイプラインの各段階は個別のコンポーネントであるため、システムのモジュール性が向上し、保守が容易になります。
  • 再利用性：個々の段階は異なるパイプラインで再利用できます。
  • 拡張性：既存の段階を変更せずに新しい段階を追加できます。
  • スケーラビリティ：異なるプロセッサまたはスレッドで異なる段階を実行することにより、パイプラインを並列化できます。

トレードオフ

  • 複雑さ：複数の段階を通してデータの流れを管理することは、複雑さを招く可能性があります。
  • パフォーマンスオーバーヘッド：各段階は、コンテキストスイッチングと段階間のデータ転送により、パフォーマンスオーバーヘッドが発生します。
  • デバッグの難しさ：データが複数のコンポーネントを通過するため、パイプラインのデバッグはより困難になる可能性があります。
  • 責任連鎖：両方のパターンは、一連のハンドラーを通してデータを転送しますが、責任連鎖では、ハンドラーはデータをさらに転送しないことを決定できます。
  • デコレーター：両方のパターンは動的に動作を追加しますが、デコレーターはオブジェクトの周りに追加の動作をラップするのに対し、パイプラインはデータを一連のステップで処理します。
  • コンポジット：パイプラインと同様に、コンポジットも階層的な処理を伴いますが、コンポジットは部分と全体の階層に関するものです。

参考文献と謝辞

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