Common Lisp Object System

Common Lisp Object System（コモン リスプ オブジェクトシステム、略称りゃくしょう CLOS）は、ANSI Common Lisp (CL) の一部いちぶをなすオブジェクト指向しこうプログラミング機能きのうであり、他たの言語げんご（EuLisp や Emacs Lisp、Scheme、Dylan）にも類似るいじのシステムが導入どうにゅうされている。1984年ねんのCommon Lisp仕様しようではオブジェクト指向しこうシステムは時期じき尚早しょうそうとして組くみ込こまれなかったが、1994年ねんのANSI標準ひょうじゅんでは組くみ込こみ機能きのうとなった。CLOS は強つよい型付かたつけをもつ動的どうてき(実行じっこう時じに定義ていぎを変更へんこうできる)オブジェクトシステムであり、C++やJavaのような静的せいてきなオブジェクト指向しこう言語げんごとは大おおきく異ことなる。1970年代ねんだいに始はじまる初期しょきのLISPオブジェクトシステム（MIT Flavors や LOOPS）に影響えいきょうされているが、より汎用はんよう的てきである。

LISPにオブジェクト指向しこうを導入どうにゅうすることは簡単かんたんである。2ページ程度ていどのコードがあれば実現じつげんできる（Graham, 1994）。一方いっぽう、オブジェクト指向しこうLISPを柔軟じゅうなんで拡張かくちょう性せいに富とんだものに設計せっけいするのはより困難こんなんであった。CLOS は完全かんぜんなオブジェクトシステムであり、オブジェクト指向しこうシステム自体じたいがオブジェクト指向しこうプログラミングによって拡張かくちょう可能かのうである。拡張かくちょうのプロトコルは CLOS Metaobject Protocol (MOP) と呼よばれる。

Standard Method Combination の概念がいねん図ず

特徴とくちょう

多重たじゅうディスパッチ

CLOS は多重たじゅうディスパッチシステムである。すなわち、引数ひきすうのデータ型がたによってメソッドを用意よういできる。多おおくのオブジェクト指向しこう言語げんごは単一たんいつディスパッチであり、メソッドは第だい一いち引数ひきすうのデータ型がたでしかディスパッチできない。CLOS のメソッドは総称そうしょう関数かんすうにグループ化かされる。総称そうしょう関数かんすうは同おなじ名前なまえと引数ひきすう構造こうぞうを持もつ（ただし個々ここの引数ひきすうのデータ型がたが異ことなる）メソッドを集あつめたものである。後ごの例れいによりこのことをより良よく説明せつめいする。

弱よわいカプセル化か

多おおくの動的どうてきオブジェクト指向しこう言語げんご（Pythonなど）と同様どうよう、CLOS ではカプセル化かが行おこなわれない。任意にんいのデータ（スロット）にslot-value 関数かんすうでアクセス可能かのうである。

データ構造こうぞうや関数かんすう管理かんりにあたって、CL のプログラマはパッケージというモジュール管理かんり機能きのうを用もちいることが多おおい。

多重たじゅう継承けいしょう

CLOS は多重たじゅう継承けいしょう機能きのうをもち、プログラミングスタイルとしてもMixinとして活用かつようされてもいる。標準ひょうじゅんではクラス優先ゆうせん順位じゅんいリストをトポロジカルソートする戦略せんりゃくに加くわえ、メソッドの起動きどう順序じゅんじょのカスタマイズ等とうが可能かのうであり、C++等とうにみられる菱形ひしがた継承けいしょう問題もんだい等とうは顕在けんざい化かしない。また、クラス優先ゆうせん順位じゅんいリストのソートの戦略せんりゃくもCLOS MOPによりクラスごとにユーザーがカスタマイズが可能かのうである。

動的どうてきクラス変更へんこう

CLOSでのオブジェクトのクラスは動的どうてきであり、オブジェクトの内容ないようだけでなく「構造こうぞう」を実行じっこう時じに変更へんこうできる。インスタンスが属ぞくするクラスを変更へんこうする関数かんすうは (change-class INSTANCE NEW-CLASS-NAME &rest INITARGS) である。

また、CLOS は実行じっこう時じに（既すでにそのクラスがインスタンスを持もっていても）クラス定義ていぎを変更へんこうできる。具体ぐたい的てきには、defclassを再度さいど評価ひょうかしてクラス定義ていぎを変更へんこうした際さい、CLOSは(make-instances-obsolete CLASS)を呼よび出だす。make-instances-obsoleteは指定していされたクラスのすべてのインスタンスに対たいしてupdate-instance-for-redefined-classを呼よび出だす。update-instance-for-redefined-classは新あらたに追加ついかされたスロットや削除さくじょされたスロットの情報じょうほうを引数ひきすうとして受うけとり、同おなじく引数ひきすうとして受うけ取とったインスタンスから新あたらしい定義ていぎに基もとづいて新あらたに作つくったインスタンスへ値ねをコピーする。これら３みっつのメソッドは継承けいしょうによりユーザーが書かき換かえ・追加ついかを行おこなうことができる。

クラスベース

CLOS はプロトタイプベースではない。インスタンスをあるクラスのメンバーとして作成さくせいするには事前じぜんにdefclassによってそのクラスを定義ていぎしなければならない。

MOP : Meta Object Protocol

ANSI 標準ひょうじゅんの範囲はんい外がいだが、CLOS の実装じっそうに広ひろく採用さいようされている拡張かくちょうとしてメタオブジェクトプロトコル(The Common Lisp Object System MetaObject Protocol)がある。MOP は CLOS 実装じっそう基盤きばんに標準ひょうじゅんインタフェースを定義ていぎし、クラスをメタクラスのインスタンスとして扱あつかい、新あらたなメタクラスを定義ていぎしたり、基底きていクラスの振ふる舞まいを修正しゅうせいしたりできる。CLOS MOP はアスペクト指向しこうプログラミングの先取さきどりとも言いえ、実際じっさい同おなじ技術ぎじゅつ者しゃ（Gregor Kiczales など）が関かかわっている。代表だいひょう的てきな機能きのうはGeneric Function (class-slots class)、Class standard-slot-definition、など。

MOPは実装じっそう系けいによって扱あつかいが異ことなるが、その重要じゅうよう性せいのため、可か搬性を担保たんぽする試こころみが行おこなわれている。結果けっか、現在げんざいでは、インターフェースを共通きょうつうにするライブラリ Closer to MOP がデファクトスタンダードとなっている。

実行じっこうメソッドの形成けいせい

総称そうしょう関数かんすうを呼よび出だした時とき、実行じっこうする手続てつづきの内容ないようは、多おおくの動的どうてきオブジェクト指向しこうプログラミングシステムと同様どうよう、その実行じっこう時じに動的どうてきに決定けっていされるが、メソッドキャッシュやコンパイル時じに決定けっていできる最適さいてき化かを用もちいて高速こうそく化かを図はかっている処理しょり系けいが多おおい。

適用てきよう可能かのうメソッドを並ならべる

引数ひきすうの型かたと継承けいしょう関係かんけいに応おうじて、適用てきようしてよいメソッドを集あつめる。

クラスpersonがクラスanimalを継承けいしょうしているとする。p1とp2は共ともにpersonのインスタンスである。総称そうしょう関数かんすうreactionの以下いかのような呼よび出だし

(reaction p1 p2)

について、メソッドが以下いかのように定義ていぎされている場合ばあい、

(defmethod reaction ((a1 animal) (a2 animal)) (foo)) ; 1
(defmethod reaction ((a1 person) (a2 animal)) (bar)) ; 2
(defmethod reaction ((a1 animal) (a2 person)) (baz)) ; 3
(defmethod reaction ((a1 person) (a2 person)) (bab)) ; 4

上うえの4つはすべて適用てきよう可能かのうメソッドである。

クラス継承けいしょう順じゅんによるメソッドの並ならべ替がえ

これら4つのメソッドは、引数ひきすうオブジェクトの継承けいしょう順序じゅんじょ(Precedence Order)に従したがってソートされる。 上うえの例れいでは、呼よび出だす際さいのp1とp2が共ともにクラスpersonのインスタンスであるため、それに最もっともマッチしている4番目ばんめのメソッドが最もっとも高たかい継承けいしょう順序じゅんじょを持もつ。 継承けいしょう順序じゅんじょは通常つうじょう、左側ひだりがわの引数ひきすうから順じゅんに計算けいさんされる。従したがって上うえの例れいでは、2番目ばんめと3番目ばんめのメソッドを比くらべた場合ばあい、第だい一いち引数ひきすうの適用てきよう度どが優先ゆうせんされることから、2番目ばんめの適用てきよう度どのほうが高たかくなる。 結果けっか的てきに、メソッドらは4,2,3,1の順じゅんでソートされる。

メソッド結合けつごう(メソッド・コンビネーション)

CLOSでは、上うえのソートによって作つくられたメソッドのリストに一定いっていの戦略せんりゃくを適用てきようすることで、最終さいしゅう的てきに実際じっさいに行おこなう動作どうさを決定けっていする。この戦略せんりゃくのことをメソッド結合けつごうと呼よぶ。いくつかのバリエーションが標準ひょうじゅんで定義ていぎされている。

他たの言語げんごにおいて、あるインスタンスのメソッドを呼よび出だすときの動作どうさについて考かんがえてみよう。そのインスタンスのクラスが親しんクラスを持もつとき、例たとえばJavaのような言語げんごにおいては、継承けいしょうされたメソッドは上書うわがきされてしまう。一方いっぽう,CLOSではそのような通常つうじょうの上書うわがき(オーバーライド)戦略せんりゃくだけにとどまらず、多種たしゅ多様たような戦略せんりゃくがANSI標準ひょうじゅんで定義ていぎされ、かつ自由じゆうに定義ていぎできる。 (ただし、javaはsuperという特殊とくしゅなメソッドを備そなえているため、子こクラスのメソッドから親おやのメソッドを呼よぶことができ、言語げんごの柔軟じゅうなん性せいを高たかめている。)

メソッド結合けつごう法則ほうそくは総称そうしょう関数かんすうの定義ていぎごとに指定していする。標準ひょうじゅんメソッド結合けつごう以外いがいのメソッド結合けつごう法則ほうそくを指定していした場合ばあい、メソッド定義ていぎの際さいにはメソッド指定してい子こ(Qualifier)を指定していして、結合けつごう法則ほうそくに固有こゆうの機能きのうを使つかうことを指定していしなくてはいけない。それぞれのメソッド結合けつごうは複数ふくすうのメソッド指定してい子こを持もつ。なお、すべてのメソッド結合けつごうは:aroundメソッド結合けつごうを持もたなくてはならないと定義ていぎされている。

standard メソッドコンビネーション / 標準ひょうじゅんメソッド結合けつごう

これはjavaのもつ継承けいしょう戦略せんりゃくと共通きょうつう点てんがある。標準ひょうじゅんメソッド結合けつごうでは、指定してい子こを指定していしない( unspecified method qualifier )メソッドのことをプライマリ・メソッド ( Primary method )と呼よび、これには上書うわがき戦略せんりゃくを用もちいる。また、その他たに:around,:before,:afterメソッド結合けつごうを持もつ。

メソッド定義ていぎの中なかでは、(call-next-method)という特殊とくしゅな関数かんすうを呼よぶことができ、これは次つぎに適用てきようすべきメソッドを呼よび出だす。このページの上部じょうぶに、この関係かんけいを記しるした図ずがある。

+ メソッド結合けつごう

これは、すべての適用てきよう可能かのうメソッドを実行じっこうし、それらの返かえした値ねを足たし合あわせて全体ぜんたいの値ねとして返かえすという結合けつごう方法ほうほうである。同様どうようのメソッド結合けつごうとして標準ひょうじゅんで定義ていぎされているものに、list,progn,appendなどがある。

max メソッド結合けつごう

これは、すべての適用てきよう可能かのうメソッドを実行じっこうし、それらの返かえした値ねの最大さいだい値ちを全体ぜんたいの値ねとして返かえすという結合けつごう方法ほうほうである。 同様どうようのメソッド結合けつごうとして標準ひょうじゅんで定義ていぎされているものにminがある。

新あらたなメソッド結合けつごうの定義ていぎ

define-method-combinationは、ユーザーに、新あらたなメソッド結合けつごうを定義ていぎする自由じゆうを与あたえる。

例れい

以下いかに、CLOSを用もちいて複数ふくすうのクラスでメソッドを適用てきようする例れいを示しめす.

クラス定義ていぎ

動物どうぶつ、野生やせいの犬いぬ、ペットの犬いぬ、人間にんげん、ステュワーデス、男おとこというクラスを定義ていぎした。

(defclass animal ()
  ((sex :reader sex-of :initarg :sex)))
;; 初期しょき値ちを設定せっていするためのキーワード引数ひきすうを :sex に指定していする

(defclass named-mixin ()
  ((name :type string :reader name-of :initarg :name)))
;; 名前なまえを持もつオブジェクトのmixin
;; :reader 指定していにより、スロット読よみ出だし用ようの関数かんすうが自動じどうで定義ていぎされる

(defclass wild-dog (animal)
  ((food :initform :anything)))
(defclass pet-dog (animal named-mixin)
  ((food :initform :dog-food)))
;; :initformにより、インスタンス作成さくせい時じに値ねを設定せっていしない場合ばあいの初期しょき値ちを定さだめる

(defclass person (animal named-mixin)
  ((address :accessor adress-of)))
;; accessor指定していにより、読よみ書かき両方りょうほうの関数かんすうが作つくられる

(defclass male-mixin ()
  ((sex :initform :male)))
(defclass female-mixin ()
  ((sex :initform :female)))
(defclass stewardess (person female-mixin)
  ())

スタンダード・メソッドコンビネーション

それぞれの継承けいしょう順じゅんに基もとづいて、何なにかを言いわせてみる。

(defun say (sound)
  (format t sound))
;; 標準ひょうじゅん出力しゅつりょくに書かき込こむ

(defgeneric saysomething (animal))

(defmethod saysomething ((ani animal))
  (say "aaaaa!"))
;; 通常つうじょう、動作どうさは継承けいしょうにより上書うわがきされる

(defmethod saysomething :before ((p person))
  (say "hi!"))
;; :before 指定していにより、子孫しそんクラスのメソッドをあとに続つづいて実行じっこうできる

(defmethod saysomething ((st stewardess))
  (say "welcome aboard!"))
;; stewardess は person クラスを継承けいしょうするので、:before 指定していに従したがい
;;  hi! と言いった後のちに welcome aboard! という

list メソッドコンビネーション

多重たじゅうディスパッチとlistメソッドコンビネーションを用もちいて、何なにかが何なにかに出会であった時ときの反応はんのうをリストにして書かき出ださせてみる。

(defgeneric reaction (of to)
  (:method-combination :list))
;; 第だい一いち引数ひきすうがとる第だい二に引数ひきすうへの反応はんのうを返かえす。
;; メソッド結合けつごうをstandardからlistへ変更へんこうする。
;; そのため、それぞれのメソッドの返がえり値ちがlistにまとめられて返かえる


(defmethod reaction list ((a1 animal) (a2 animal))
  :look)

(defmethod reaction list ((a1 wild-dog) (a2 wild-dog))
  (if (in-same-group a1 a2)
	  :sniff  ;; くんくん嗅かぐ
	  :bark)) ;; 吠ほえる

(defmethod reaction list ((wild wild-dog) (pet pet-dog))
  :bark-strongly)
(defmethod reaction list ((pet pet-dog) (wild wild-dog))
  :run-away)

(defmethod reaction list ((pet pet-dog) (p person))
  :escort)

(defmethod reaction list ((p person) (pet pet-dog))
  :go-for-a-walk)

(defmethod reaction list ((p1 person) (p2 person))
  :greetings)

(defmethod reaction list ((st stewardess) (p person))
  :welcome-aboard)

(defmethod reaction list ((f1 female-mixin) (p person))
  :watch-clothes)

(defmethod reaction list ((m male-mixin) (f female-mixin))
  :watch-hip-tits-and-waist)

(reaction (make-instance 'animal)
	  (make-instance 'animal))
;; --> (:LOOK)


(reaction (make-instance 'man)
	  (make-instance 'stewardess))
;; --> (:GREETINGS :LOOK :WATCH-HIP-TITS-AND-WAIST)


(reaction (make-instance 'stewardess)
	  (make-instance 'man))
;; --> (:WELCOME-ABOARD :GREETINGS :LOOK :WATCH-CLOTHES)


(reaction (make-instance 'wild-dog)
	  (make-instance 'man))
;; --> (:LOOK)

(reaction (make-instance 'pet-dog)
		  (make-instance 'man))
;; --> (:ESCORT :LOOK)


(reaction (make-instance 'pet-dog)
	  (make-instance 'wild-dog))
;; --> (:RUN-AWAY :LOOK)

参考さんこう文献ぶんけん

• "CommonLoops: merging Lisp and object-oriented programming", by Daniel G. Bobrow, Kenneth Kahn, Gregor Kiczales, Larry Masinter, Mark Stefik, Frank Zdybel. 1986, Portland, Oregon, United States. Pages 17 - 29 of the Conference on Object Oriented Programming Systems Languages and Applications, ISSN 0362-1340.
• "A History and Description of CLOS", by Jim Veitch. Pages 107-158 of Handbook of Programming Languages, Volume IV: Functional and Logic Programming Languages, ed. Peter H. Salus. 1998 (1st edition), Macmillian Technical Publishing; ISBN 1-57870-011-6
• Gregor Kiczales, Jim des Rivieres, and Daniel G. Bobrow, The Art of the Metaobject Protocol, 1991, MIT Press. ISBN 0-262-61074-4
• Sonya Keene, Object-Oriented Programming in Common Lisp: A Programmer's Guide to CLOS, 1988, Addison-Wesley. ISBN 0-201-17589-4.

外部がいぶリンク

• The Common Lisp Object System: An Overview by Richard P. Gabriel and Linda DeMichiel
• Common Lisp HyperSpec, Chapter 7: Objects