ヌルオブジェクトパターン

オブジェクト指向 プログラミングでは、ヌルオブジェクトとは、参照値を持たないオブジェクト、または定義された中立的な（ヌル）動作を持つオブジェクトです。このようなオブジェクトの使用法と動作（またはその欠如）を記述するヌルオブジェクト設計パターンは、最初は「Void Value」 ^{[1]として公開され、後に}「Pattern Languages of Program Design」シリーズ で「Null Object」として公開されました。^[2]

JavaやC#などのほとんどのオブジェクト指向言語では、参照がnullになることがあります。通常、メソッドは null 参照では呼び出せないため、メソッドを呼び出す前にこれらの参照が null でないことを確認する必要があります。

Objective -C言語はこの問題に対して別のアプローチを採用しており、 にメッセージを送信する際には何も行いませんnil。戻り値が期待される場合は、nil(オブジェクトの場合)、0 (数値の場合)、NO(BOOL値の場合)、または構造体 (構造体型の場合) が返され、そのすべてのメンバーはnull/0/に初期化さNOれます。/ゼロ初期化構造体。^[3]

null 参照を使用してオブジェクトが存在しない (たとえば、存在しない顧客) ことを伝える代わりに、期待されるインターフェースを実装するがメソッド本体が空のオブジェクトを使用します。null オブジェクトを使用する主な目的は、さまざまな種類の条件を回避し、より焦点が絞られた、より速く読み、理解できるコード (つまり、可読性の向上) を作成することです。このアプローチが機能するデフォルト実装よりも優れている点の 1 つは、null オブジェクトは非常に予測可能で副作用がないことです。つまり、何も行いません。

たとえば、関数はフォルダー内のファイルのリストを取得し、それぞれに対して何らかのアクションを実行する場合があります。フォルダーが空の場合、応答の 1 つは例外をスローするか、リストではなく null 参照を返すことです。したがって、リストを期待するコードは、続行する前に実際にリストがあるかどうかを確認する必要があり、設計が複雑になる可能性があります。

代わりに null オブジェクト (つまり、空のリスト) を返すことで、戻り値が実際にリストであるかどうかを確認する必要がなくなります。呼び出し関数は、通常どおりリストを反復するだけで、実質的に何も実行しません。ただし、戻り値が null オブジェクト (空のリスト) であるかどうかを確認し、必要に応じて異なる動作をすることは可能です。

データベースなどの特定の機能がテストに使用できない場合、null オブジェクト パターンはテストのスタブとして使用することもできます。

次のノード構造を持つバイナリツリーが与えられます。

クラスノード {
    ノード左
    ノード右
}

ツリーサイズの手順を再帰的に実装することもできます。

関数tree_size(ノード) {
    1 + tree_size(node.left) + tree_size(node.right) を返します。
}

子ノードが存在しない可能性があるので、非存在または null チェックを追加して手順を変更する必要があります。

関数tree_size(ノード) {
    合計を1に設定する
    node.leftが存在する場合{
        合計 = 合計 + tree_size(node.left)
    }
    node.rightが存在する場合{
        合計 = 合計 + tree_size(node.right)
    }
    合計を返す
}

ただし、境界チェックと通常のロジックが混在するため、手順が複雑になり、読みにくくなります。ヌル オブジェクト パターンを使用すると、ヌル ノードのみを対象とした特別なバージョンの手順を作成できます。

関数tree_size(ノード) {
    1 + tree_size(node.left) + tree_size(node.right) を返します。
}

関数tree_size(null_node) {
    0を返す
}

これにより、通常のロジックが特殊なケースの処理から分離され、コードが理解しやすくなります。

これは、State パターンとStrategy パターンの特殊なケースと見なすことができます。

これはデザインパターンのパターンではありませんが、 Martin Fowlerの リファクタリング^[4]やJoshua Kerievskyのリファクタリングパターン^[5]ではNullオブジェクトの挿入 リファクタリングとして言及されています。

ロバート・セシル・マーティンの「 アジャイルソフトウェア開発：原則、パターン、実践」^[6]の第17章は、このパターンについて書かれています。

C# 6.0 からは、"?." 演算子 (別名null 条件演算子)を使用できます。この演算子は、左のオペランドが null の場合に null と評価されます。

// コンソール アプリケーションとしてコンパイルします。C# 6.0 以上が必要です
。using System ; 

namespace ConsoleApplication2 { class Program { static void Main ( string [] args ) { string str = "test" ; Console.WriteLine ( str ? .Length ); Console.ReadKey (); } } } //出力は次のようになります: // 4 

     
    
           
        
                
            
            
        
    

一部のMicrosoft .NET言語では、拡張メソッドを使用して、いわゆる「null 合体」を実行できます。これは、拡張メソッドは実際には静的であるにもかかわらず、「インスタンス メソッドの呼び出し」に関係しているかのように、null 値で拡張メソッドを呼び出すことができるためです。拡張メソッドを使用して null 値をチェックするように設定できるため、拡張メソッドを使用するコードで null 値をチェックする必要がなくなります。以下の例では、C# の Null 合体演算子を使用してエラーのない呼び出しを保証していますが、より一般的な if...then...else を使用することもできます。以下の例は、null の存在を気にしないか、null と空の文字列を同じように扱う場合にのみ機能します。この前提は、他のアプリケーションでは当てはまらない場合があります。

// コンソール アプリケーションとしてコンパイルします。C# 3.0 以上が必要です。 
using System ; using System.Linq ; namespace MyExtensionWithExample { public static class StringExtensions { public static int SafeGetLength ( this string valueOrNull ) { return ( valueOrNull ?? string . Empty ). Length ; } } public static class Program { // 文字列を定義します。static readonly string [] strings = new [] { "Mr X." , "Katrien Duck" , null , "Q" }; // 配列内のすべての文字列の合計長を書き込みます。public static void Main ( string [] args ) { var query = from text in strings select text . SafeGetLength (); // ここではチェックを行う必要はありません。 Console . WriteLine ( query . Sum ()); } } } // 出力は次のようになります: // 18 
 
  
         
               
                
        
    
        
        
                    
        
             
                     
            
        
    

オブジェクトへの静的に型付けされた参照を持つ言語は、ヌル オブジェクトがより複雑なパターンになる様子を示しています。

#include <iostream> 

クラスAnimal { public : virtual ~ Animal () = default ;  
 
     

  仮想void MakeSound （）const = 0 ; };     


クラスDog : public Animal { public : virtual void MakeSound () const override { std :: cout << "woof!" << std :: endl ; } };     
 
             


クラスNullAnimal : public Animal { public : virtual void MakeSound () const override {} };     
 
       

ここでの考え方は、Animalオブジェクトへのポインターまたは参照が必要な状況があるが、適切なオブジェクトが利用できないというものです。標準準拠の C++ では、null 参照は不可能です。nullAnimal*ポインターは可能であり、プレースホルダーとして役立つ可能性がありますが、直接ディスパッチには使用できません。nullポインターの a->MakeSound()場合、未定義の動作になります。a

ヌル オブジェクト パターンは、ポインターまたは参照NullAnimalにバインドされてインスタンス化できる特別なクラスを提供することで、この問題を解決しますAnimal。

階層に関連しない基本クラスNullAnimalに関する null オブジェクトが必要な場合、 は役に立たないため、 null オブジェクトを持つクラス階層ごとに特別な null クラスを作成する必要があります。 WidgetAnimal

「何でも参照」である言語 (Java や C# など) とは対照的に、null クラスをまったく持たないことは重要な機能であることに注意してください。C++ では、関数またはメソッドの設計で、null が許可されるかどうかを明示的に指定できます。

// |Animal| インスタンスを必要とし、null を受け入れない関数。
void DoSomething ( const Animal & animal ) { // ここでは |animal| が null になることはありません。}    
  


// |Animal| インスタンスまたは null を受け入れる関数。
void DoSomething ( const Animal * animal ) { // |animal| は null の可能性があります。}    
  

C# は、null オブジェクト パターンを適切に実装できる言語です。この例では、サウンドを表示する動物オブジェクトと、C# の null キーワードの代わりに使用される NullAnimal インスタンスを示します。null オブジェクトは一貫した動作を提供し、代わりに C# の null キーワードを使用した場合に発生するランタイム null 参照例外を防止します。

/* Null オブジェクト パターンの実装: 
*/ 
using System ; 

// Animal インターフェースは、以下の Animal 実装の互換性の鍵となります。
interface IAnimal { void MakeSound (); } 

	 


// Animal は基本ケースです。abstract 
class Animal : IAnimal { // 比較に使用できる共有インスタンスpublic static readonly IAnimal Null = new NullAnimal ( ); // Null ケース: この NullAnimal クラスは、C# の null キーワードの代わりに使用する必要があります。private class NullAnimal : Animal { public override void MakeSound () { // 意図的に動作を提供しません。} } public abstract void MakeSound ( ); }    

	
	       
	
	
	    
	
		   
		
			
		
	
	   


// 犬は本物の動物です。
class Dog : Animal { public override void MakeSound () { Console . WriteLine ( "Woof!" ); } }   

	   
	
		
	


/* ========================= 
* メイン エントリ ポイントでの単純な使用例。
*/ 
static class Program { static void Main () { IAnimal dog = new Dog (); dog . MakeSound (); // 「Woof!」を出力します。  

	  
	
		    
		 

		/* C# の null の代わりに、Animal.Null インスタンスを使用します。
         * この例は単純ですが、Animal.Null インスタンスを使用すると、
         C# の null が使用された場合とは異なり、実行時にプログラムで .NET System.NullReferenceException が発生することはないという概念を伝えています。 
         */ 
IAnimal unknown = Animal . Null ; //<< 置き換え: IAnimal unknown = null; unknown . MakeSound (); // 何も出力しませんが、実行時例外はスローされません        } }		     
		 
	

Smalltalk の原則に従うと、すべてがオブジェクト であり、オブジェクトの不在自体は と呼ばれるオブジェクトによってモデル化されますnil。たとえば、GNU Smalltalk では、 のクラスは の直接の子孫nilです。 UndefinedObjectObject

目的に適したオブジェクトを返せない操作はnil、代わりに を返すことができるため、Smalltalk の設計者がサポートしていない「オブジェクトなし」を返す特殊なケースを回避できます。この方法は、従来の「null」または「オブジェクトなし」または「null 参照」アプローチよりも単純 (特殊なケースが必要ない) であるという利点があります。 で使用するのに特に便利なメッセージは、または で、nilこれらを使用すると Smalltalk プログラムでへの参照を実用的かつ安全に処理できます。 isNilifNil:ifNotNil:nil

Lisp では、関数は特殊オブジェクト を適切に受け入れることができるためnil、アプリケーション コードでの特殊ケースのテストの量が削減されます。たとえば、nilはアトムであり、フィールドはありませんが、関数carと はそれをcdr受け入れてnil返すだけなので、非常に便利で、コードが短くなります。

nil Lisp では は空のリストなので、上記の導入部で説明した状況は存在しません。 を返すコードは、nil実際には空のリスト (リスト型への null 参照に似たものではない) を返すので、呼び出し元は、値にリストがあるかどうかをテストする必要がありません。

ヌル オブジェクト パターンは、複数の値の処理でもサポートされています。プログラムが値を返さない式から値を抽出しようとすると、ヌル オブジェクトnilが代用されます。したがって、(nil を含む 1 要素のリスト)(list (values))が返されます。式はまったく値を返しませんが、関数呼び出しでは引数式を値に減らす必要があるため、ヌル オブジェクトが自動的に代用されます。 (nil)(values)list

Common Lisp では、オブジェクトはnil特殊クラスの唯一のインスタンスですnull。つまり、メソッドをnullクラスに特化して、ヌル デザイン パターンを実装することができます。つまり、これは基本的にオブジェクト システムに組み込まれています。

;; 空の犬クラス

(犬クラスを定義する() ())   

;; 犬オブジェクトは吠えて音を出します: 
x が犬クラスのインスタンスである場合、(make-sound x) が呼び出されると、標準出力に woof! が印刷されます。

( defmethod make-sound (( obj dog )) ( format t "わーっ!~%" ))   
    

;; null クラスへの特殊化により (make-sound nil) が動作できるようにします。
;; 無害な空の本体: nil は音を発しません。
( defmethod make-sound (( obj null )))   

はシンボルなので、クラスはクラスnullのサブクラスです。も空のリストを表すので、もクラスのサブクラスです。 または に特殊化されたメソッド パラメータは、したがって引数を取ります。 もちろん、にさらに具体的に一致する特殊化を定義することもできます。 symbolnilnilnulllistsymbollistnilnullnil

Common Lisp や Lisp の多くの方言とは異なり、Scheme 方言にはこのように動作する nil 値がありません。関数carとをcdr空のリストに適用することはできません。したがって、Scheme アプリケーション コードでは、の動作により非常によく似た Lisp が空の場合と空でない場合を区別する必要がない場合でも、empty?または述語関数を使用してこの状況を回避する必要があります。 pair?nil

Rubyのようなダック型言語では、期待される動作を提供するために言語の継承は必要ありません。

クラスDog def sound "bark" end endクラスNilAnimal def sound ( * ); end end 
   
    
  

 
 
    


def get_animal ( animal = NilAnimal . new )動物終了 
  


get_animal ( Dog . new ) . sound 
=> "bark" get_animal . sound => nil  

  

明示的な実装を提供する代わりに NilClassに直接モンキーパッチを適用しようとすると、メリットよりも予期しない副作用が多くなります。

JavaScriptのようなダックタイプ言語では、期待される動作を提供するために言語の継承は必要ありません。

クラスDog { sound () { return 'bark' ; } }  
   
     
  


クラスNullAnimal { sound () { nullを返す; } }  
   
     
  


関数getAnimal ( type ) {戻り値の型=== 'dog' ? new Dog () : new NullAnimal (); }  
           


[ 'dog' , null ]. map (( animal ) => getAnimal ( animal ). sound ()); // ["bark", null] を返します   

パブリックインターフェースAnimal { void makeSound (); }   
	 


パブリッククラスDog はAnimalを実装します{ public void makeSound () { System . out . println ( "woof!" ); } }     
	   
		
	


public class NullAnimal implements Animal { public void makeSound () { // 無音... } }     
	   
        
	

このコードは、Java 言語を使用して、上記の C++ の例のバリエーションを示しています。C++ と同様に、オブジェクトへの参照がAnimal必要であるが、適切なオブジェクトが利用できない状況では、null クラスをインスタンス化できます。null オブジェクトAnimalは可能であり ( Animal myAnimal = null;)、プレースホルダーとして役立ちますが、メソッドの呼び出しには使用できません。この例では、myAnimal.makeSound();は NullPointerException をスローします。したがって、null オブジェクトをテストするには、追加のコードが必要になる場合があります。

NullAnimalヌル オブジェクト パターンは、型のオブジェクトとしてインスタンス化できる特別なクラスを提供することでこの問題を解決します。C++ や関連言語と同様に、インターフェイスを実装しないヌル オブジェクトが必要な場合は は役に立たないAnimalため、ヌル オブジェクトを必要とするクラス階層ごとに特別なヌル クラスを作成する必要があります。 NullAnimalAnimal

インターフェース Animal 
{
    パブリック 関数 makeSound (); 
}

クラス Dog は Animalを実装します { public function makeSound () { echo "Woof... \n " ; } }

      
    
         
    


クラス Cat は Animalを実装します { public function makeSound () { echo "Meowww... \n " ; } }

      
    
         
    


クラス NullAnimal は Animalを実装します { public function makeSound () { // 無音... } }

      
    
        
    


$animalType  =  '象' ;

function  makeAnimalFromAnimalType ( string  $animalType ) :  Animal 
{ 
    switch  ( $animalType )  { 
        case  'dog' : 
            return  new  Dog (); 
        case  'cat' : 
            return  new  Cat (); 
        default : 
            return  new  NullAnimal (); 
    } 
}

makeAnimalFromAnimalType ( $animalType ) -> makeSound ();  // ..null 動物は音を出さない

関数 animalMakeSound ( Animal  $animal ) :  void 
{ 
    $animal -> makeSound (); 
}

foreach  ([ 
             makeAnimalFromAnimalType ( 'dog' ), 
             makeAnimalFromAnimalType ( 'NullAnimal' ), 
             makeAnimalFromAnimalType ( 'cat' ), 
         ]  as  $animal )  { 
    // これも null 処理コードを削減します
    animalMakeSound ( $animal ); 
}

次の null オブジェクト パターンの実装は、静的フィールドに対応する null オブジェクトを提供する具体的なクラスを示しています。このアプローチは、Empty.NET Framework (、、など) で頻繁に使用されString.Emptyます。 EventArgs.EmptyGuid.Empty

パブリッククラスAnimalパブリック共有読み取り専用空Animal = New AnimalEmpty ( )  
            

    Public Overridable Sub MakeSound () Console . WriteLine ( "ワンワン!" ) End Sub End Class   
        
     
 

フレンド継承不可クラスAnimalEmpty はAnimalを継承します   
     

    Public Overrides Sub MakeSound () ' End Sub End Class   
        
     
 

このパターンは、エラーやバグが通常のプログラム実行のように見える可能性があるため、慎重に使用する必要があります。^[7]

このパターンは、null チェックを回避してコードを読みやすくするためだけに実装しないように注意する必要があります。読みにくいコードは別の場所に移動し、標準的でなくなる可能性があるためです (提供されたオブジェクトが実際に null オブジェクトである場合に別のロジックを実行する必要があるなど)。参照型を使用するほとんどの言語で一般的なパターンは、参照を null または nil と呼ばれる単一の値と比較することです。また、null オブジェクトの代わりに null を割り当てるコードがどこにも存在しないことをテストする必要もあります。これは、ほとんどの場合、静的型付けを使用する言語では、null オブジェクトが参照型である場合、これはコンパイラ エラーではありませんが、null チェックを回避するためにパターンが使用されたコード部分では、実行時に確実にエラーが発生するためです。それに加えて、ほとんどの言語では、多数の null オブジェクトが存在する可能性があると想定すると (つまり、null オブジェクトは参照型ですが、何らかの方法でシングルトン パターンを実装していない)、null または nil 値の代わりに null オブジェクトをチェックすると、シングルトン参照を取得するときにシングルトン パターン自体がオーバーヘッドを引き起こす可能性があります。

• Null 許容型
• オプションタイプ

• ジェフリー・ウォーカーによるヌルオブジェクトパターンの説明
• マーティン・ファウラーによる特殊ケースの説明、もう少し一般的なパターン
• Null オブジェクト パターンの再考
• Nullオブジェクトのリファクタリングを導入する
• ソース作成チュートリアル
• Swift の Null オブジェクト パターン