F# のツアー

F# について学習する最善の方法は、F# のコードを読んだり書いたりすることです。 この記事では、F# の主ないくつかの機能と、ご自分のコンピューターで実行できるコード スニペットを紹介します。 開発環境のセットアップについては、作業の開始に関する記事を参照してください。

F# には、関数と型という 2 つの主要な概念があります。 このツアーでは、これら 2 つの概念に分類される言語の機能に重点を置いています。

コードをオンラインで実行する

お使いのコンピューターに F# がインストールされていない場合は、ブラウザーで Try F# in Fable を使用してすべてのサンプルを実行できます。 Fable は、ブラウザーで直接実行される F# の言語です。 以降のサンプルを REPL で表示するには、Fable REPL の左側のメニュー バーにある [Samples](サンプル) [Learn](学習) > [Tour of F#](F# のツアー) を参照してください。

関数とモジュール

F# プログラムの最も基本的な部分は、モジュールに編成された関数です。 関数は、入力に対して処理を実行して出力を生成し、モジュールの下に編成されています。モジュールは、F# で項目をグループ化する主な方法です。 これらは、関数に名前を付け、引数を定義する バインドを使用して定義されています。

module BasicFunctions = 

    /// You use 'let' to define a function. This one accepts an integer argument and returns an integer. 
    /// Parentheses are optional for function arguments, except for when you use an explicit type annotation.
    let sampleFunction1 x = x*x + 3

    /// Apply the function, naming the function return result using 'let'. 
    /// The variable type is inferred from the function return type.
    let result1 = sampleFunction1 4573

    // This line uses '%d' to print the result as an integer. This is type-safe.
    // If 'result1' were not of type 'int', then the line would fail to compile.
    printfn $"The result of squaring the integer 4573 and adding 3 is %d{result1}"

    /// When needed, annotate the type of a parameter name using '(argument:type)'.  Parentheses are required.
    let sampleFunction2 (x:int) = 2*x*x - x/5 + 3

    let result2 = sampleFunction2 (7 + 4)
    printfn $"The result of applying the 2nd sample function to (7 + 4) is %d{result2}"

    /// Conditionals use if/then/elif/else.
    ///
    /// Note that F# uses white space indentation-aware syntax, similar to languages like Python.
    let sampleFunction3 x = 
        if x < 100.0 then 
            2.0*x*x - x/5.0 + 3.0
        else 
            2.0*x*x + x/5.0 - 37.0

    let result3 = sampleFunction3 (6.5 + 4.5)

    // This line uses '%f' to print the result as a float.  As with '%d' above, this is type-safe.
    printfn $"The result of applying the 3rd sample function to (6.5 + 4.5) is %f{result3}"

let バインドは、他の言語の変数と同様に、値を名前にバインドする方法でもあります。 既定では、let バインドはlet。つまり、値または関数が名前にバインドされた後は、それをその場で変更することはできません。 これは、いつでも値を変更できる、他の言語の変数とは対照的です。 変更可能なバインドが必要な場合は、let mutable ... 構文を使用できます。

module Immutability =

    /// Binding a value to a name via 'let' makes it immutable.
    ///
    /// The second line of code compiles, but 'number' from that point onward will shadow the previous definition.
    /// There is no way to access the previous definition of 'number' due to shadowing.
    let number = 2
    // let number = 3

    /// A mutable binding.  This is required to be able to mutate the value of 'otherNumber'.
    let mutable otherNumber = 2

    printfn $"'otherNumber' is {otherNumber}"

    // When mutating a value, use '<-' to assign a new value.
    //
    // Note that '=' is not the same as this.  Outside binding values via 'let', '=' is used to test equality.
    otherNumber <- otherNumber + 1

    printfn $"'otherNumber' changed to be {otherNumber}" 

数値、ブール値、文字列

.NET 言語としての F# では、.NET に存在するものと同じ基になるプリミティブ型がサポートされています。

F# でさまざまな数値型がどのように表されるかを次に示します。

module IntegersAndNumbers = 

    /// This is a sample integer.
    let sampleInteger = 176

    /// This is a sample floating point number.
    let sampleDouble = 4.1

    /// This computed a new number by some arithmetic.  Numeric types are converted using
    /// functions 'int', 'double' and so on.
    let sampleInteger2 = (sampleInteger/4 + 5 - 7) * 4 + int sampleDouble

    /// This is a list of the numbers from 0 to 99.
    let sampleNumbers = [ 0 .. 99 ]

    /// This is a list of all tuples containing all the numbers from 0 to 99 and their squares.
    let sampleTableOfSquares = [ for i in 0 .. 99 -> (i, i*i) ]

    // The next line prints a list that includes tuples, using an interpolated string.
    printfn $"The table of squares from 0 to 99 is:\n{sampleTableOfSquares}"

ブール値と基本的な条件ロジックの実行例を次に示します。

module Booleans =

    /// Booleans values are 'true' and 'false'.
    let boolean1 = true
    let boolean2 = false

    /// Operators on booleans are 'not', '&&' and '||'.
    let boolean3 = not boolean1 && (boolean2 || false)

    // This line uses '%b'to print a boolean value.  This is type-safe.
    printfn $"The expression 'not boolean1 && (boolean2 || false)' is %b{boolean3}"

基本的な文字列操作は次のようになります。

module StringManipulation = 

    /// Strings use double quotes.
    let string1 = "Hello"
    let string2  = "world"

    /// Strings can also use @ to create a verbatim string literal.
    /// This will ignore escape characters such as '\', '\n', '\t', etc.
    let string3 = @"C:\Program Files\"

    /// String literals can also use triple-quotes.
    let string4 = """The computer said "hello world" when I told it to!"""

    /// String concatenation is normally done with the '+' operator.
    let helloWorld = string1 + " " + string2 

    // This line uses '%s' to print a string value.  This is type-safe.
    printfn "%s" helloWorld

    /// Substrings use the indexer notation.  This line extracts the first 7 characters as a substring.
    /// Note that like many languages, Strings are zero-indexed in F#.
    let substring = helloWorld[0..6]
    printfn $"{substring}"

タプル

タプルは F# において重要なものです。 これらは、名前のない、順序付けされた値をグループ化したもので、それ自体を値として扱うことができます。 これらは、他の値から集約された値と考えることができます。 それには多くの用途があります。たとえば、関数から複数の値を返すことができるようにしたり、特別な便宜のために値をグループ化したりします。

module Tuples =

    /// A simple tuple of integers.
    let tuple1 = (1, 2, 3)

    /// A function that swaps the order of two values in a tuple. 
    ///
    /// F# Type Inference will automatically generalize the function to have a generic type,
    /// meaning that it will work with any type.
    let swapElems (a, b) = (b, a)

    printfn $"The result of swapping (1, 2) is {(swapElems (1,2))}"

    /// A tuple consisting of an integer, a string,
    /// and a double-precision floating point number.
    let tuple2 = (1, "fred", 3.1415)

    printfn $"tuple1: {tuple1}\ttuple2: {tuple2}"

struct タプルを作成することもできます。 これらは、C#7 および Visual Basic 15 のタプル (やはり struct タプルです) と完全に相互運用することもできます。

/// Tuples are normally objects, but they can also be represented as structs.
///
/// These interoperate completely with structs in C# and Visual Basic.NET; however,
/// struct tuples are not implicitly convertible with object tuples (often called reference tuples).
///
/// The second line below will fail to compile because of this.  Uncomment it to see what happens.
let sampleStructTuple = struct (1, 2)
//let thisWillNotCompile: (int*int) = struct (1, 2)

// Although you can
let convertFromStructTuple (struct(a, b)) = (a, b)
let convertToStructTuple (a, b) = struct(a, b)

printfn $"Struct Tuple: {sampleStructTuple}\nReference tuple made from the Struct Tuple: {(sampleStructTuple |> convertFromStructTuple)}"

struct タプルは値型であるため、参照タプルに、またはその逆に、暗黙的に変換することはできないことに注意することが重要です。 参照タプルと struct タプルは明示的に変換する必要があります。

Pipelines

パイプ演算子 |> は、F# でデータを処理するときに広く使用されます。 この演算子を使用すると、関数の "パイプライン" を柔軟な方法で確立できます。 次の例では、これらの演算子を利用して簡単な機能のパイプラインを構築する方法を示します。

module PipelinesAndComposition =

    /// Squares a value.
    let square x = x * x

    /// Adds 1 to a value.
    let addOne x = x + 1

    /// Tests if an integer value is odd via modulo.
    ///
    /// '<>' is a binary comparison operator that means "not equal to".
    let isOdd x = x % 2 <> 0

    /// A list of 5 numbers.  More on lists later.
    let numbers = [ 1; 2; 3; 4; 5 ]

    /// Given a list of integers, it filters out the even numbers,
    /// squares the resulting odds, and adds 1 to the squared odds.
    let squareOddValuesAndAddOne values = 
        let odds = List.filter isOdd values
        let squares = List.map square odds
        let result = List.map addOne squares
        result

    printfn $"processing {numbers} through 'squareOddValuesAndAddOne' produces: {squareOddValuesAndAddOne numbers}"
    
    /// A shorter way to write 'squareOddValuesAndAddOne' is to nest each
    /// sub-result into the function calls themselves.
    ///
    /// This makes the function much shorter, but it's difficult to see the
    /// order in which the data is processed.
    let squareOddValuesAndAddOneNested values = 
        List.map addOne (List.map square (List.filter isOdd values))

    printfn $"processing {numbers} through 'squareOddValuesAndAddOneNested' produces: {squareOddValuesAndAddOneNested numbers}"

    /// A preferred way to write 'squareOddValuesAndAddOne' is to use F# pipe operators.
    /// This allows you to avoid creating intermediate results, but is much more readable
    /// than nesting function calls like 'squareOddValuesAndAddOneNested'
    let squareOddValuesAndAddOnePipeline values =
        values
        |> List.filter isOdd
        |> List.map square
        |> List.map addOne

    printfn $"processing {numbers} through 'squareOddValuesAndAddOnePipeline' produces: {squareOddValuesAndAddOnePipeline numbers}"

    /// You can shorten 'squareOddValuesAndAddOnePipeline' by moving the second `List.map` call
    /// into the first, using a Lambda Function.
    ///
    /// Note that pipelines are also being used inside the lambda function.  F# pipe operators
    /// can be used for single values as well.  This makes them very powerful for processing data.
    let squareOddValuesAndAddOneShorterPipeline values =
        values
        |> List.filter isOdd
        |> List.map(fun x -> x |> square |> addOne)

    printfn $"processing {numbers} through 'squareOddValuesAndAddOneShorterPipeline' produces: {squareOddValuesAndAddOneShorterPipeline numbers}"

    /// Lastly, you can eliminate the need to explicitly take 'values' in as a parameter by using '>>'
    /// to compose the two core operations: filtering out even numbers, then squaring and adding one.
    /// Likewise, the 'fun x -> ...' bit of the lambda expression is also not needed, because 'x' is simply
    /// being defined in that scope so that it can be passed to a functional pipeline.  Thus, '>>' can be used
    /// there as well.
    ///
    /// The result of 'squareOddValuesAndAddOneComposition' is itself another function which takes a
    /// list of integers as its input.  If you execute 'squareOddValuesAndAddOneComposition' with a list
    /// of integers, you'll notice that it produces the same results as previous functions.
    ///
    /// This is using what is known as function composition.  This is possible because functions in F#
    /// use Partial Application and the input and output types of each data processing operation match
    /// the signatures of the functions we're using.
    let squareOddValuesAndAddOneComposition =
        List.filter isOdd >> List.map (square >> addOne)

    printfn $"processing {numbers} through 'squareOddValuesAndAddOneComposition' produces: {squareOddValuesAndAddOneComposition numbers}"

前のサンプルでは、リスト処理関数、ファーストクラス関数、部分アプリケーションなど、F# の多くの機能が使用されていました。 それらは高度な概念ですが、パイプラインを構築するときに関数を使用してデータを処理するのが簡単であることがわかったはずです。

リスト、配列、シーケンス

リスト、配列、シーケンスは、F# コア ライブラリの 3 つのプライマリ コレクション型です。

リストは、同じ型の要素の順序付けられた、変更できないコレクションです。 これらはシングル リンク リストです。つまり、それらは列挙のためのものであり、サイズが大きい場合のランダム アクセスや連結には適していません。 これは、通常、リストを表すためにシングルリンク リストを使用しない他の一般的な言語のリストとは対照的です。

module Lists =

    /// Lists are defined using [ ... ].  This is an empty list.
    let list1 = [ ]  

    /// This is a list with 3 elements.  ';' is used to separate elements on the same line.
    let list2 = [ 1; 2; 3 ]

    /// You can also separate elements by placing them on their own lines.
    let list3 = [
        1
        2
        3
    ]

    /// This is a list of integers from 1 to 1000
    let numberList = [ 1 .. 1000 ]  

    /// Lists can also be generated by computations. This is a list containing 
    /// all the days of the year.
    ///
    /// 'yield' is used for on-demand evaluation. More on this later in Sequences.
    let daysList = 
        [ for month in 1 .. 12 do
              for day in 1 .. System.DateTime.DaysInMonth(2017, month) do 
                  yield System.DateTime(2017, month, day) ]

    // Print the first 5 elements of 'daysList' using 'List.take'.
    printfn $"The first 5 days of 2017 are: {daysList |> List.take 5}"

    /// Computations can include conditionals.  This is a list containing the tuples
    /// which are the coordinates of the black squares on a chess board.
    let blackSquares = 
        [ for i in 0 .. 7 do
              for j in 0 .. 7 do 
                  if (i+j) % 2 = 1 then 
                      yield (i, j) ]

    /// Lists can be transformed using 'List.map' and other functional programming combinators.
    /// This definition produces a new list by squaring the numbers in numberList, using the pipeline 
    /// operator to pass an argument to List.map.
    let squares = 
        numberList 
        |> List.map (fun x -> x*x) 

    /// There are many other list combinations. The following computes the sum of the squares of the 
    /// numbers divisible by 3.
    let sumOfSquares = 
        numberList
        |> List.filter (fun x -> x % 3 = 0)
        |> List.sumBy (fun x -> x * x)

    printfn $"The sum of the squares of numbers up to 1000 that are divisible by 3 is: %d{sumOfSquares}"

配列は、同じ型の要素の固定サイズの "変更可能" なコレクションです。 要素の高速なランダム アクセスがサポートされており、連続したメモリ ブロックであるため、F# のリストより高速です。

module Arrays =

    /// This is The empty array.  Note that the syntax is similar to that of Lists, but uses `[| ... |]` instead.
    let array1 = [| |]

    /// Arrays are specified using the same range of constructs as lists.
    let array2 = [| "hello"; "world"; "and"; "hello"; "world"; "again" |]

    /// This is an array of numbers from 1 to 1000.
    let array3 = [| 1 .. 1000 |]

    /// This is an array containing only the words "hello" and "world".
    let array4 = 
        [| for word in array2 do
               if word.Contains("l") then 
                   yield word |]

    /// This is an array initialized by index and containing the even numbers from 0 to 2000.
    let evenNumbers = Array.init 1001 (fun n -> n * 2) 

    /// Sub-arrays are extracted using slicing notation.
    let evenNumbersSlice = evenNumbers[0..500]

    /// You can loop over arrays and lists using 'for' loops.
    for word in array4 do 
        printfn $"word: {word}"

    // You can modify the contents of an array element by using the left arrow assignment operator.
    //
    // To learn more about this operator, see: https://docs.microsoft.com/dotnet/fsharp/language-reference/values/index#mutable-variables
    array2[1] <- "WORLD!"

    /// You can transform arrays using 'Array.map' and other functional programming operations.
    /// The following calculates the sum of the lengths of the words that start with 'h'.
    ///
    /// Note that in this case, similar to Lists, array2 is not mutated by Array.filter.
    let sumOfLengthsOfWords = 
        array2
        |> Array.filter (fun x -> x.StartsWith "h")
        |> Array.sumBy (fun x -> x.Length)

    printfn $"The sum of the lengths of the words in Array 2 is: %d{sumOfLengthsOfWords}"

シーケンスは、すべてが同じ型の論理的な一連の要素です。 これらは、リストや配列より一般的な型であり、任意の論理的な一連の要素を "表示" することができます。 また、それらは遅延にできる点でも優れています。これは、必要な場合にのみ要素を計算できることを意味します。

module Sequences = 

    /// This is the empty sequence.
    let seq1 = Seq.empty

    /// This a sequence of values.
    let seq2 = seq { yield "hello"; yield "world"; yield "and"; yield "hello"; yield "world"; yield "again" }

    /// This is an on-demand sequence from 1 to 1000.
    let numbersSeq = seq { 1 .. 1000 }

    /// This is a sequence producing the words "hello" and "world"
    let seq3 = 
        seq { for word in seq2 do
                  if word.Contains("l") then 
                      yield word }

    /// This is a sequence producing the even numbers up to 2000.
    let evenNumbers = Seq.init 1001 (fun n -> n * 2) 

    let rnd = System.Random()

    /// This is an infinite sequence which is a random walk.
    /// This example uses yield! to return each element of a subsequence.
    let rec randomWalk x =
        seq { yield x
              yield! randomWalk (x + rnd.NextDouble() - 0.5) }

    /// This example shows the first 100 elements of the random walk.
    let first100ValuesOfRandomWalk = 
        randomWalk 5.0 
        |> Seq.truncate 100
        |> Seq.toList

    printfn $"First 100 elements of a random walk: {first100ValuesOfRandomWalk}"

再帰関数

要素のコレクションまたはシーケンスの処理は、通常、F# の再帰を使用して行われます。 F# では、ループや命令型プログラミングもサポートされていますが、正確性を保証するのが簡単であるため、再帰が推奨されます。

Note

次の例では、match 式によるパターン マッチングを使用します。 この基本的なコンストラクトについては、この記事の後半で説明します。

module RecursiveFunctions = 
              
    /// This example shows a recursive function that computes the factorial of an 
    /// integer. It uses 'let rec' to define a recursive function.
    let rec factorial n = 
        if n = 0 then 1 else n * factorial (n-1)

    printfn $"Factorial of 6 is: %d{factorial 6}"

    /// Computes the greatest common factor of two integers.
    ///
    /// Since all of the recursive calls are tail calls,
    /// the compiler will turn the function into a loop,
    /// which improves performance and reduces memory consumption.
    let rec greatestCommonFactor a b =
        if a = 0 then b
        elif a < b then greatestCommonFactor a (b - a)
        else greatestCommonFactor (a - b) b

    printfn $"The Greatest Common Factor of 300 and 620 is %d{greatestCommonFactor 300 620}"

    /// This example computes the sum of a list of integers using recursion.
    ///
    /// '::' is used to split a list into the head and tail of the list,
    /// the head being the first element and the tail being the rest of the list.
    let rec sumList xs =
        match xs with
        | []    -> 0
        | y::ys -> y + sumList ys

    /// This makes 'sumList' tail recursive, using a helper function with a result accumulator.
    let rec private sumListTailRecHelper accumulator xs =
        match xs with
        | []    -> accumulator
        | y::ys -> sumListTailRecHelper (accumulator+y) ys
    
    /// This invokes the tail recursive helper function, providing '0' as a seed accumulator.
    /// An approach like this is common in F#.
    let sumListTailRecursive xs = sumListTailRecHelper 0 xs

    let oneThroughTen = [1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10]

    printfn $"The sum 1-10 is %d{sumListTailRecursive oneThroughTen}"

F# では、末尾呼び出し最適化も完全にサポートされています。これは、再帰呼び出しを最適化して、ループ コンストラクトと同じ速度でできるようにするための方法です。

レコード型と判別共用体型

レコード型と共用体型は、F# のコードで使用される 2 つの基本的なデータ型であり、一般に F# プログラムでデータを表現する最良の方法です。 これは他の言語のクラスと似ていますが、主な違いの 1 つは、それらが構造的に等価なセマンティクスであることです。 つまり、これらは "ネイティブに" 比較可能であり、等価性が簡単です。一方が他方と等しいかどうかを確認するだけです。

レコードは、オプションのメンバー (メソッドなど) を含む名前付きの値の集約です。 C# または Java に慣れていれば、これらは、構造的な等価性と手続きが少ない点で、POCO や POJO に似ていると感じるはずです。

module RecordTypes = 

    /// This example shows how to define a new record type.  
    type ContactCard = 
        { Name     : string
          Phone    : string
          Verified : bool }
              
    /// This example shows how to instantiate a record type.
    let contact1 = 
        { Name = "Alf" 
          Phone = "(206) 555-0157" 
          Verified = false }

    /// You can also do this on the same line with ';' separators.
    let contactOnSameLine = { Name = "Alf"; Phone = "(206) 555-0157"; Verified = false }

    /// This example shows how to use "copy-and-update" on record values. It creates 
    /// a new record value that is a copy of contact1, but has different values for 
    /// the 'Phone' and 'Verified' fields.
    ///
    /// To learn more, see: https://docs.microsoft.com/dotnet/fsharp/language-reference/copy-and-update-record-expressions
    let contact2 = 
        { contact1 with 
            Phone = "(206) 555-0112"
            Verified = true }

    /// This example shows how to write a function that processes a record value.
    /// It converts a 'ContactCard' object to a string.
    let showContactCard (c: ContactCard) = 
        c.Name + " Phone: " + c.Phone + (if not c.Verified then " (unverified)" else "")

    printfn $"Alf's Contact Card: {showContactCard contact1}"

    /// This is an example of a Record with a member.
    type ContactCardAlternate =
        { Name     : string
          Phone    : string
          Address  : string
          Verified : bool }

        /// Members can implement object-oriented members.
        member this.PrintedContactCard =
            this.Name + " Phone: " + this.Phone + (if not this.Verified then " (unverified)" else "") + this.Address

    let contactAlternate = 
        { Name = "Alf" 
          Phone = "(206) 555-0157" 
          Verified = false 
          Address = "111 Alf Street" }
   
    // Members are accessed via the '.' operator on an instantiated type.
    printfn $"Alf's alternate contact card is {contactAlternate.PrintedContactCard}"

レコードを構造体として表すこともできます。 これは [<Struct>] 属性を使用して行われます。

[<Struct>]
type ContactCardStruct = 
    { Name     : string
      Phone    : string
      Verified : bool }

判別共用体 (DU) は、多数の名前付きのフォームまたはケースである可能性のある値です。 この型に格納されるデータは、複数の個別の値のいずれかになります。

module DiscriminatedUnions = 

    /// The following represents the suit of a playing card.
    type Suit = 
        | Hearts 
        | Clubs 
        | Diamonds 
        | Spades

    /// A Discriminated Union can also be used to represent the rank of a playing card.
    type Rank = 
        /// Represents the rank of cards 2 .. 10
        | Value of int
        | Ace
        | King
        | Queen
        | Jack

        /// Discriminated Unions can also implement object-oriented members.
        static member GetAllRanks() = 
            [ yield Ace
              for i in 2 .. 10 do yield Value i
              yield Jack
              yield Queen
              yield King ]
                                   
    /// This is a record type that combines a Suit and a Rank.
    /// It's common to use both Records and Discriminated Unions when representing data.
    type Card = { Suit: Suit; Rank: Rank }
              
    /// This computes a list representing all the cards in the deck.
    let fullDeck = 
        [ for suit in [ Hearts; Diamonds; Clubs; Spades] do
              for rank in Rank.GetAllRanks() do 
                  yield { Suit=suit; Rank=rank } ]

    /// This example converts a 'Card' object to a string.
    let showPlayingCard (c: Card) = 
        let rankString = 
            match c.Rank with 
            | Ace -> "Ace"
            | King -> "King"
            | Queen -> "Queen"
            | Jack -> "Jack"
            | Value n -> string n
        let suitString = 
            match c.Suit with 
            | Clubs -> "clubs"
            | Diamonds -> "diamonds"
            | Spades -> "spades"
            | Hearts -> "hearts"
        rankString  + " of " + suitString

    /// This example prints all the cards in a playing deck.
    let printAllCards() = 
        for card in fullDeck do 
            printfn $"{showPlayingCard card}"

また、DU を "単一ケースの判別共用体" として使用し、プリミティブ型に対するドメイン モデリングを支援することもできます。 多くの場合、文字列や他のプリミティブ型は何かを表すために使用され、したがって特定の意味が与えられます。 ただし、データのプリミティブ表現のみを使用すると、正しくない値が誤って割り当てられる可能性があります。 個別の単一ケース共用体として情報の各型を表すと、このシナリオで正確さを適用できます。

// Single-case DUs are often used for domain modeling.  This can buy you extra type safety
// over primitive types such as strings and ints.
//
// Single-case DUs cannot be implicitly converted to or from the type they wrap.
// For example, a function which takes in an Address cannot accept a string as that input,
// or vice versa.
type Address = Address of string
type Name = Name of string
type SSN = SSN of int

// You can easily instantiate a single-case DU as follows.
let address = Address "111 Alf Way"
let name = Name "Alf"
let ssn = SSN 1234567890

/// When you need the value, you can unwrap the underlying value with a simple function.
let unwrapAddress (Address a) = a
let unwrapName (Name n) = n
let unwrapSSN (SSN s) = s

// Printing single-case DUs is simple with unwrapping functions.
printfn $"Address: {address |> unwrapAddress}, Name: {name |> unwrapName}, and SSN: {ssn |> unwrapSSN}"

上の例で示すように、単一ケースの判別共用体の基になる値を取得するには、明示的にラップ解除する必要があります。

また、DU では再帰的な定義もサポートされているので、ツリーや本質的に再帰的なデータを簡単に表すことができます。 たとえば、関数 existsinsert を使用してバイナリ検索ツリーを表現する方法を次に示します。

/// Discriminated Unions also support recursive definitions.
///
/// This represents a Binary Search Tree, with one case being the Empty tree,
/// and the other being a Node with a value and two subtrees.
///
/// Note 'T here is a type parameter, indicating that 'BST' is a generic type.
/// More on generics later.
type BST<'T> =
    | Empty
    | Node of value:'T * left: BST<'T> * right: BST<'T>

/// Check if an item exists in the binary search tree.
/// Searches recursively using Pattern Matching.  Returns true if it exists; otherwise, false.
let rec exists item bst =
    match bst with
    | Empty -> false
    | Node (x, left, right) ->
        if item = x then true
        elif item < x then (exists item left) // Check the left subtree.
        else (exists item right) // Check the right subtree.

/// Inserts an item in the Binary Search Tree.
/// Finds the place to insert recursively using Pattern Matching, then inserts a new node.
/// If the item is already present, it does not insert anything.
let rec insert item bst =
    match bst with
    | Empty -> Node(item, Empty, Empty)
    | Node(x, left, right) as node ->
        if item = x then node // No need to insert, it already exists; return the node.
        elif item < x then Node(x, insert item left, right) // Call into left subtree.
        else Node(x, left, insert item right) // Call into right subtree.

DU では、データ型でツリーの再帰構造を表すことができるので、この再帰構造での操作は簡単で、正確性が保証されます。 次に示すように、パターン マッチングでもサポートされています。

パターン マッチ

パターン マッチングは、F# の型に対する操作の正確さを実現する F# の機能です。 これまでのサンプルで、非常に多くの match x with ... 構文があることに気付くでしょう。 このコンストラクトを使用すると、データ型の "形状" を理解できるコンパイラにより、完全なパターン マッチングとして知られるものでデータ型を使用するときに、可能性のあるすべてのケースを考慮するようにユーザーは強制されます。 これは正確さを実現するために非常に強力であり、適切に使用すれば、通常であれば実行時の問題になることを、コンパイル時の問題に "引き上げる" ことができます。

module PatternMatching =

    /// A record for a person's first and last name
    type Person = {
        First : string
        Last  : string
    }

    /// A Discriminated Union of 3 different kinds of employees
    type Employee =
        | Engineer of engineer: Person
        | Manager of manager: Person * reports: List<Employee>
        | Executive of executive: Person * reports: List<Employee> * assistant: Employee

    /// Count everyone underneath the employee in the management hierarchy,
    /// including the employee. The matches bind names to the properties 
    /// of the cases so that those names can be used inside the match branches.
    /// Note that the names used for binding do not need to be the same as the 
    /// names given in the DU definition above.
    let rec countReports(emp : Employee) =
        1 + match emp with
            | Engineer(person) ->
                0
            | Manager(person, reports) ->
                reports |> List.sumBy countReports
            | Executive(person, reports, assistant) ->
                (reports |> List.sumBy countReports) + countReports assistant

_ パターンの使用に気付くかもしれません。 これは、ワイルドカード パターンと呼ばれるもので、"それが何であるか気にしない" ことを伝えるための方法です。 便利ですが、よく考えて _ を使用しないと、完全なパターン マッチングを誤ってバイパスし、コンパイル時の適用のメリットを失う可能性があります。 パターン マッチングのときに分解された型の特定の部分を気にしない場合に、またはパターン マッチング式ですべての意味のあるケースを列挙した後の final 句で、使用することをお勧めします。

次の例では、解析操作が失敗したときに _ ケースが使用されています。

/// Find all managers/executives named "Dave" who do not have any reports.
/// This uses the 'function' shorthand to as a lambda expression.
let findDaveWithOpenPosition(emps : List<Employee>) =
    emps
    |> List.filter(function
                   | Manager({First = "Dave"}, []) -> true // [] matches an empty list.
                   | Executive({First = "Dave"}, [], _) -> true
                   | _ -> false) // '_' is a wildcard pattern that matches anything.
                                 // This handles the "or else" case.

/// You can also use the shorthand function construct for pattern matching, 
/// which is useful when you're writing functions which make use of Partial Application.
let private parseHelper (f: string -> bool * 'T) = f >> function
    | (true, item) -> Some item
    | (false, _) -> None

let parseDateTimeOffset = parseHelper DateTimeOffset.TryParse

let result = parseDateTimeOffset "1970-01-01"
match result with
| Some dto -> printfn "It parsed!"
| None -> printfn "It didn't parse!"

// Define some more functions which parse with the helper function.
let parseInt = parseHelper Int32.TryParse
let parseDouble = parseHelper Double.TryParse
let parseTimeSpan = parseHelper TimeSpan.TryParse

アクティブなパターンは、パターン マッチングで使用するもう 1 つの強力なコンストラクトです。 パターン マッチの呼び出しサイトで分解して、入力データをカスタム フォームにパーティション分割できるようにします。 また、パラメーター化することができるので、パーティションを関数として定義することができます。 アクティブなパターンをサポートするように前の例を拡張すると、次のようになります。

let (|Int|_|) = parseInt
let (|Double|_|) = parseDouble
let (|Date|_|) = parseDateTimeOffset
let (|TimeSpan|_|) = parseTimeSpan

/// Pattern Matching via 'function' keyword and Active Patterns often looks like this.
let printParseResult = function
    | Int x -> printfn $"%d{x}"
    | Double x -> printfn $"%f{x}"
    | Date d -> printfn $"%O{d}"
    | TimeSpan t -> printfn $"%O{t}"
    | _ -> printfn "Nothing was parse-able!"

// Call the printer with some different values to parse.
printParseResult "12"
printParseResult "12.045"
printParseResult "12/28/2016"
printParseResult "9:01PM"
printParseResult "banana!"

オプション

判別共用体型の 1 つの特殊なケースとして、オプション型があり、その便利さのために F# コア ライブラリの一部になっています。

オプション型は、値のケースと何もないケースのいずれかを表す型です。 特定の操作の結果が値になる場合とならない場合があるすべてのシナリオで使用されます。 これにより、両方のケースを考慮することが必要になり、実行時の問題ではなく、コンパイル時の問題になります。 多くの場合、"何もない" ことを表すために代わりに null が使用される API で使用されるため、多くの状況で NullReferenceException を心配する必要がなくなります。

module OptionValues = 

    /// First, define a zip code defined via Single-case Discriminated Union.
    type ZipCode = ZipCode of string

    /// Next, define a type where the ZipCode is optional.
    type Customer = { ZipCode: ZipCode option }

    /// Next, define an interface type that represents an object to compute the shipping zone for the customer's zip code, 
    /// given implementations for the 'getState' and 'getShippingZone' abstract methods.
    type IShippingCalculator =
        abstract GetState : ZipCode -> string option
        abstract GetShippingZone : string -> int

    /// Next, calculate a shipping zone for a customer using a calculator instance.
    /// This uses combinators in the Option module to allow a functional pipeline for
    /// transforming data with Optionals.
    let CustomerShippingZone (calculator: IShippingCalculator, customer: Customer) =
        customer.ZipCode 
        |> Option.bind calculator.GetState 
        |> Option.map calculator.GetShippingZone

測定単位

F# の型システムには、測定単位を使用して数値リテラルのコンテキストを提供する機能があります。 測定単位を使用すると、数値型を単位 (メートルなど) に関連付けることができ、関数は数値リテラルではなく単位に対して実行されます。 これにより、渡された数値リテラルの型が特定のコンテキストで意味を持つかどうかコンパイラで検証できるため、その種の処理に関連するランタイム エラーを回避できます。

module UnitsOfMeasure = 

    /// First, open a collection of common unit names
    open Microsoft.FSharp.Data.UnitSystems.SI.UnitNames

    /// Define a unitized constant
    let sampleValue1 = 1600.0<meter>          

    /// Next, define a new unit type
    [<Measure>]
    type mile =
        /// Conversion factor mile to meter.
        static member asMeter = 1609.34<meter/mile>

    /// Define a unitized constant
    let sampleValue2  = 500.0<mile>          

    /// Compute  metric-system constant
    let sampleValue3 = sampleValue2 * mile.asMeter   

    // Values using Units of Measure can be used just like the primitive numeric type for things like printing.
    printfn $"After a %f{sampleValue1} race I would walk %f{sampleValue2} miles which would be %f{sampleValue3} meters"

F# コア ライブラリでは、さまざまな SI 単位の型と単位の変換が定義されています。 詳細については、「FSharp.Data.UnitSystems.SI.UnitSymbols Namespace (FSharp.Data.UnitSystems.SI.UnitSymbols 名前空間)」を参照してください。

オブジェクト プログラミング

F# では、インターフェイス抽象クラス継承などを使用した、オブジェクト プログラミングを完全にサポートしています。

クラスは .NET のオブジェクトを表す型であり、メンバーとしてプロパティ、メソッド、イベントを持つことができます。

module DefiningClasses = 

    /// A simple two-dimensional Vector class.
    ///
    /// The class's constructor is on the first line,
    /// and takes two arguments: dx and dy, both of type 'double'.
    type Vector2D(dx : double, dy : double) =

        /// This internal field stores the length of the vector, computed when the 
        /// object is constructed
        let length = sqrt (dx*dx + dy*dy)

        // 'this' specifies a name for the object's self-identifier.
        // In instance methods, it must appear before the member name.
        member this.DX = dx

        member this.DY = dy

        member this.Length = length

        /// This member is a method.  The previous members were properties.
        member this.Scale(k) = Vector2D(k * this.DX, k * this.DY)
    
    /// This is how you instantiate the Vector2D class.
    let vector1 = Vector2D(3.0, 4.0)

    /// Get a new scaled vector object, without modifying the original object.
    let vector2 = vector1.Scale(10.0)

    printfn $"Length of vector1: %f{vector1.Length}\nLength of vector2: %f{vector2.Length}"

ジェネリック クラスも簡単に定義できます。

module DefiningGenericClasses = 

    type StateTracker<'T>(initialElement: 'T) = 

        /// This internal field store the states in a list.
        let mutable states = [ initialElement ]

        /// Add a new element to the list of states.
        member this.UpdateState newState = 
            states <- newState :: states  // use the '<-' operator to mutate the value.

        /// Get the entire list of historical states.
        member this.History = states

        /// Get the latest state.
        member this.Current = states.Head

    /// An 'int' instance of the state tracker class. Note that the type parameter is inferred.
    let tracker = StateTracker 10

    // Add a state
    tracker.UpdateState 17

インターフェイスを実装するには、interface ... with 構文またはinterface ... withのいずれかを使用します。

module ImplementingInterfaces =

    /// This is a type that implements IDisposable.
    type ReadFile() =

        let file = new System.IO.StreamReader("readme.txt")

        member this.ReadLine() = file.ReadLine()

        // This is the implementation of IDisposable members.
        interface System.IDisposable with
            member this.Dispose() = file.Close()


    /// This is an object that implements IDisposable via an Object Expression
    /// Unlike other languages such as C# or Java, a new type definition is not needed 
    /// to implement an interface.
    let interfaceImplementation =
        { new System.IDisposable with
            member this.Dispose() = printfn "disposed" }

使用する型

クラス、レコード、判別共用体、タプルが存在すると、"どれを使用する必要があるか" という重要な質問につながります。 人生のほとんどのことと同じように、その答えは状況によって異なります。

タプルは、関数から複数の値を返す場合や、値のアドホックな集計を値自体として使用する場合に適しています。

レコードは、タプルからの "ステップアップ" であり、名前付きラベルとオプション メンバーのサポートがあります。 プログラム内を移動中のデータの形式張らない表現に適しています。 これらは構造的に等価であるため、比較で簡単に使用できます。

判別共用体には多くの用途がありますが、主な利点は、データに含まれる可能性のあるすべての "形状" を考慮するために、パターン マッチングと組み合わせて使用できることです。

クラスは、情報を表し、その情報を機能と関連付ける必要もある場合など、多くの理由で非常に優れています。 経験則として、概念的に何らかのデータに関連付けられている機能がある場合は、クラスとオブジェクト指向プログラミングの原則を使用すると大きなメリットがあります。 C# や Visual Basic ではほとんどすべてのものにクラスが使用されるため、これらの言語と相互運用するときも、クラスは推奨されるデータ型です。

次の手順

言語の主な機能をいくつか紹介したので、最初の F# プログラムを作成する準備ができました。 開発環境を設定してコードを記述する方法については、作業の開始に関する記事を参照してください。

また、F# の概念コンテンツの包括的なコレクションを確認するには、「F# 言語リファレンス」を参照してください。