牛が牧草を食うのが共変継承なのか？ - 檜山正幸のキマイラ飼育記 (はてなBlog)

Eiffelというプログラミング言語での話ですが、「反変（contravariant）の継承（反変規則による継承）」と「共変（covariant）の継承（共変規則による継承）」という奇妙な概念とそれに関する議論があります。

http://www.cs.purdue.edu/homes/bahmutov/cs510/eifell.html -- 反変／共変の議論
http://www.faqs.org/faqs/eiffel-faq/ -- Eiffel FAQの全体
http://www.geocities.co.jp/SiliconValley/8632/EiffelFAQ.html#LCON -- 日本語訳だが読みやすくない（機械翻訳？）

「牛は草食動物のサブクラス」なんて、僕が嫌がる例が出てきて（「僕は、オブジェクトもthisもサッパリ理解できなかった」を参照）、それでウンザリなんだけど、クラスと継承の混乱した（と僕には思える）議論の事例として紹介しましょう。

まず、以下の話は別にEiffel特有なものではありません。クラスと型（タイプ）に関する一般論です。とりあえず、反変の継承と共変の継承から説明しましょう。なお、説明用の構文（擬似コード）はJava風にします。

反変の継承と共変の継承

次の状況を考えます。

class Base {
 public void doSomething(Foo arg) {
  // ...
 }
 // ...
}

class Derived extends Base {
 public void doSomething(Bar arg) {
  // ...
 }
 // ...
}

このとき、メソッドdoSomethingの引数の型FooとBarにどんな関係があるべきか、というのが今回のトピックです。「特定の言語でどうなっているか」が問題ではなくて、一般的ポリシーの議論ですね。

典型的な2つの規則として：

BarはFooのスーパータイプであるべき。クラスの型と引数の型において、サブ／スーパ関係が反対方向になるので、これを反変規則と呼びます。

BarはFooのサブタイプであるべき。クラスの型と引数の型において、サブ／スーパ関係が同じ方向になるので、これを共変規則と呼びます。

もちろん、「BarとFooは同じであるべき」とか「BarとFooは何でもよい」などの規則もありえますが、今回考えるのは反変、共変の2つの規則です。

リスコフの置換原則

リスコフ（Liskov）の置換原則は、サブタイプ／スーパータイプに関する基本的規則です。DerivedがBaseのサブタイプであるとき：

Derivedの値やオブジェクトxがあるとき、自然な型変換により、型がBaseである値／オブジェクトx'が存在する。
Base型のx'を使っているプログラムにおいて、x'をxに置き換えてもそのプログラムの動作に一切の影響を与えない。

この置換原則は、サブタイプを定義するとき、こうなるようにしなさいという教訓だとみなしてもいいでしょう。

具体的な例を出せば、次の(1)のコードが問題なく動いているとき、(2)のコードもまったく同じように動くべき、ということです。

// (1) 変数objにはBaseのインスタンス
  Base obj = new Base();
  // なにやら、かにやら

// (2) 変数objにはDerivedのインスタンス
  Base obj = new Derived();
  // なにやら、かにやら

リスコフの置換原則からみた反変と共変

反変の継承の例を出しましょう（つまらん例だけど）。

class Printer {
 public void print(String arg) {
  // ...
 }
}

class PowerfulPrinter extends Printer {
 public void print(Object arg) {
  // ...
 }
}

Printer#printは文字列しかプリント（表示か印刷か）できませんが、PowerfulPrinter#printは何でもプリントできます。Printer pr = new Printer();の代わりにPrinter pr = new PowerfulPrinter();としても、特に問題ありません（文字列のプリントの動作に変化がないとして）。

反変の継承では、派生クラス側で基底クラスの動作をキチンとエミュレートするなら、リスコフの置換原則を破ることはありません。

次の例はどうでしょう。

class Printer {
 public void print(Object arg) {
  // ...
 }
}

class TextPrinter extends Printer {
 public void print(String arg) {
  // ...
 }
}

この場合Printerの利用者は、Printer#printに任意のオブジェクトを渡していいと思っているので、pr.print(new Date());のように使うかもしれません。変数prにTextPrinterのインスタンスが入っていると、（言語により、コンパイル時か実行時のいずれかで）困ったことになります。

という次第で、リスコフの置換原則を基準に考えると、反変の継承はよいが、共変の継承はダメだ、ってことになります。

ここで、牛が登場

ところがしかし、現実の問題を考えるときは、共変の継承がしばしば登場するから共変の継承も許すべきだ、という議論があります。Eiffel FAQから事例を引用します。

class 草食動物 {
 public void eat(植物 food) {
  // ...
 }
 // ...
}

class 牛 extends 草食動物 {
 public void eat(牧草 food) {
  // ...
 }
 // ...
}

出たよ、草食動物と牛だよ。現実の問題が牛か、君は牧場経営者か？まー、それはともかく、「草食動物→牛」とサブクラスを作っていて、eatの引数型も同じ方向に「植物→牧草」とサブクラスに変更しているので、これは共変の継承の例になっていますね。

以上で、牛と継承の問題（じゃねーよ、反変の継承と共変の継承の問題ね）の説明は済みました。牛が出てきた段階で、僕は思考停止（つうより思考放棄）しちゃうんだけど、そもそも、継承の枠内で議論するのが変なんじゃないの。問題設定がズレてるから、考えるだけ不毛だとも言えるが、僕なりに牛を使わない解決と説明をしましょう -- 今日は余裕がないから次回に。