F#とは (エフシャープとは) [単語記事]

概要

F#（エフシャープ）とは関数型プログラミング言語の一種である。マイクロソフトリサーチ^[1]で生まれ、.NET 言語に仲間入りした。 ML、OC aml といった関数型言語の流れを汲む静的型付けコンパイラ型の言語であり、関数型言語ではあるがオブジェクト指向型言語としての特徴を合わせ持つ。

コード記法が2種類用意されており、デフォルトでは軽量構文^[2]（lightweight synt ax）だが OC aml 風の冗語構文（verb ose synt ax）を選択することもできる。関数型言語とはいえ .NET Framework に対応したオブジェクト指向型言語でもあるので、C# などのようにクラスを用いたコード記述表現を模したプログラミングも可能である（もちろん GUI を用いることも可能）。

F# ではコンパイラの型推論機能により、変数・関数の定義において型が文脈から自動的に決まるのであれば型宣言を省略できる。型推論に頼らず明示的に型を指定することもできる。変数は基本的に不変(immuta ble)であるが、書き換え可能(muta ble)な変数として定義することもできる。

F# は正格評価を行う言語であるが、シーケンス（F# におけるリストの類似機能^[3]）など一部の式評価においては遅延評価が行われる。明示的に指定すれば任意の式を遅延評価の対象とすることができる。

また、スレッド間の排他制御などマルチスレッド処理特有の問題への対策をカプセル化し、並列処理のコード記述をシンプルで可読性の高いものにするために、他の.NET言語にない独特の構文表記方法とライブラリが用意されている。

F# は .NET Framework 上で動作する言語として作られているため他の .NET 言語と混在させたソフトウェア開発が可能である。例えばC#で作られたライブラリをF#から利用したり、またその逆にも対応できるといったように.NET言語間の相互運用性が確保されている。

加えて、F#には、あたかもインタプリタ型言語のようにコマンドライン入力したコードを即実行できる環境「F# Int era ct ive」が用意されている（コードはまずコンパイルされてから実行される）。この機能によりF#をスクリプト言語として活用することもできる。

Windows 向けの統合開発環境 Visual Studio シリーズの「Visual Studio 2010」以降、F# によるプログラミング環境が標準で搭載されている^[4]。

コード例

Hello, World!

// Hello, World! の例 　←先頭の「//」記号はこの行がコメントであることを表す
[<EntryPoint; System.STAThread>]
do
    printfn "Hello, World!"

// .NET Framework のクラスライブラリを直接利用した Hello, World! の例
[<EntryPoint; System.STAThread>]
do
    System.Console.WriteLine("Hello, World!")

let 式を用いた変数の定義

// a 、b 共にstring 型の値として定義される
let a = "Hello"　　　　　       // 型推論により a は string 型に自動的に決まる
let b : string = "Hello"    　　// 識別子の後ろに型名を書いて指定することも可

let 式を用いた関数の定義

// 引数 x と y を足した値を返す関数 add　（各引数の間はコンマではなくスペースで区切る）
let add x  y = x + y 
// 関数 add に引数を適用した例（評価結果は3となる）
add  1  2

// 明示的に型指定を行う場合（int型のxとyを足して、返り値もint型を返す関数として指定）
let add2 (x : int)  (y : int) : int = x + y

ラムダ式（無名関数）の表記方法

// 引数 x 、 y、 z を全て足した値を返す関数
// 「fun」の後ろに仮引数を並べ、「->」記号の後ろに式を書く）
fun  x  y  z  ->  x + y + z

// 上記の式に引数を適用した例（評価結果は6となる）
(fun  x  y  z  ->  x + y + z)  1  2  3

階乗を計算する関数の例（4パターンの関数定義を以下に示す）

// 関数定義その1
　　// 再帰呼び出しを使って階乗 n ! を計算
    // 再帰呼び出しする関数には let の後に rec を必ず付ける
    let rec fact1  n =
        match n with 　　　　// パターンマッチ構文
        | 1 -> 1                   　// n が1なら1を返す
        | _ -> n * fact1　(n - 1)    // n が1以外なら再帰呼び出し

// 関数定義その2 
    // 末尾再帰^[5]を使って階乗 n ! を計算
    let fact2  n =          
        let rec fact2sub  n  acc =  
            match n with
            | 1 -> acc　　　　　　　　　　      // n が1になったら計算結果を返す
            | _ -> fact2sub (n - 1) (acc * n)   // 再帰呼び出し（末尾再帰）
        
        let result = fact2sub　n　1   
        result // 返り値

// 関数定義その3   
    // 手続き型プログラミング風に階乗 n ! を計算
    let fact3 n =
        let mutable result = 1       // mutable 指定により値書き換えを許可する
        for i in 1..n　do          　　　// for ループ、i は1から n まで変化
            result <- result * i     　// mutable で定義された値を書き変えるには「<-」記号を使う

        result // 返り値

// 関数定義その4   
    // 1から n までのリストと畳み込み関数 fold を使って階乗 n ! を計算   
    let fact4  n = List.fold  (fun acc x -> acc * x)  1  [ 1..n ]

C#でLINQを用いたコードと同じ処理をF#のコードで書き直してみる

// まず、C#のコード例
var v = System.Linq.Enumerable.Range(1, 100)　　　// 1から100までの整数の集合から
                              .Where(x => (x % 3) == 0)　 // 3で割り切れる要素を選び出し  
                              .Select(x => x * 2)               // 各要素を2倍して
                              .Sum();                               // 全て足し合わせる

// C#でLINQを使った場合
var v = (from x in System.Linq.Enumerable.Range(1, 100) // 1から100までの整数の集合から
         where (x % 3) == 0                             // 3で割り切れる要素を選び出し
         select x * 2                                         // 各要素を2倍して
        ).Sum();                                              // 全て足し合わせる

// F#で上記と同様の処理を行うコードの例
// F#でパイプライン演算子「|>」を使った場合
let v = seq{1..100}                                   // 1から100までの整数の集合から
        |> Seq.where (fun x -> (x % 3) = 0)  // 3で割り切れる要素を選び出し  
        |> Seq.map (fun x -> x * 2)              // 各要素を2倍して
        |> Seq.sum                                      // 全て足し合わせる

// F#でクエリー式を使った場合
let v =  
    query {
        for x in 1..100 do      // 1から100までの整数の集合から
        where (x % 3 = 0)    // 3で割り切れる要素を選び出し  
        sumBy (x * 2)          // 各要素を2倍して、全て足し合わせる
    }

脚注

*マイクロソフト社の研究機関。
*Haskell や Python のようにインデントの深さでスコープを表現し、冗語構文よりも必要な予約語の数を少なくできる。
*正格評価が基本の F# では Haskell などと違いサイズが巨大でメモリ上に展開できないリストは作れない。このような場合は F# では「シーケンス(Seq ue nce)」を用いる。無限長リストのような遅延評価が必要な場合リストの代替品としてシーケンスを利用することになる。
*ただし、「Visual Studio 2013」の時点では、Windows フォームデザイナがない・リソース編集ツールがない等、他の.NET言語ほどには開発支援機能がまだ整っていない。それらを利用する場合はC#など他の言語のプロジェクトを混在させて間接的に利用する形をとることになるだろう。
*F# では関数の末尾再帰は最適化が行われ、関数呼び出し時のスタック消費も抑えられる。

F# 単語

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関連項目

脚注

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