はじめに

Ruby 2.0では、Enumerable#lazy というメソッドと、その返り値である Enumerator::Lazy が導入されました。

この記事では、Enumerable#lazy と Enumerator::Lazy によって無限リストをmapできることを紹介します。

また、Enumerator と Enumerator::Lazy の本質的な違いを説明します。

遅延リストとは

遅延リストですが、Haskell などの一部の関数型言語では一般的に使われているもので、
遅延評価といって、値が必要になるまで計算しないことによって、無限に続くリストも扱うことができるというものです。

無限リストをmapする

普通にやってみるとダメ

次のような無限リスト(無限の長さを持つ Range オブジェクト )を map する式[1]を考えてみます。

この式は実行が終わりません。

無限リストをmapすると、実行が終わらない

[1] pry(main)> (1..Float::INFINITY).map{|n| n*2}.first(5)
# => (実行が終わらない...)

[1]の式のmap では、Enumerable#map が呼ばれます。

Enumerable#map は配列Arrayを返り値とするメソッドなので、無限の長さの配列を作ろうとして、処理が終わらなくなります。

lazy を付けてみると動く

Enumerable#lazy を使って、次の式[2]ように無限リストを map によって処理することができます。

Enumerable#lazyによって、無限リストを扱うことができる。

[2] pry(main)> (1..Float::INFINITY).lazy.map{|n| n*2}.first(5)
# => [2, 4, 6, 8, 10]

[2]の式のmap では、Enumerator::Lazy#map が呼ばれます。

Enumerable#lazy はリスト(Array,Rangeなど)を遅延リスト Enumerator::Lazy に変換するメソッドです。

Enumerator::Lazy#map も Enumerator::Lazy を返すメソッドです。

したがって、(1..Float::INFINITY).lazy.map{|n| n*2} 全体が Enumerator::Lazy になります。

Enumerator::Lazy の中身は、force(to_a)やfirstが呼ばれるまでは、値は評価されません。

最後に Enumerator::Lazy#first が呼ばれた時に、ようやく値を評価するので、無限リストを扱うことが出来ます。

Enumerable#map と Enumerator::Lazy#map

ここで注目するべきポイントは、[1]と[2]の map は全く別のメソッドで、定義されている場所も返り値も異なっていることです。

特に、[2]では、結果を即座に配列にしないで、遅延リストとして保持しているという点が重要です。

[1]のmap: Enumerable#map -> Array
[2]のmap: Enumerator::Lazy#map -> Enumerator::Lazy

Enumerator も遅延リスト

Ruby2.0 から新しく遅延リストが登場したかのように誤解してしまうかもしれませんが、古くからRubyにはEnumeratorというクラスがあります。

例えば、IO#each_line はブロックを省略すると、ファイルの各行を順に yield するような Enumerator を返します。

次のような例では、ファイルを全て読み込まずに、最初の10行だけを処理することができます。

IO#each_lineはファイル全てを読み込まない

File.open("log.txt") do |f|
  puts f.each_line.first(10)
end

驚くかもしれませんが、Enumerator::Lazy と Enumerator はどちらも遅延リストです。

すこし工夫すれば、Enumerator でも無限リストを処理することもできます。これは最初の例と全く同じ結果になります。

Enumeratorでも無限リストを処理できる

Enumerator.new{|y|
  (1..Float::INFINITY).each{|n|
    y << n*2
  }
}.first(5) # => [2, 4, 6, 8, 10]

このように、Enumerator でも無限リストを処理することもできますが、Enumerator::Lazy を使ったほうが、
map によって直感的で読みやすく短いコードで表現できます。

Enumerator::Lazy の真の目的

Enumerator::Lazy と Enumerator の 2つのクラスの本質的な違いは、
メソッドチェーンで呼び出される map が Array を返すか、Enumerator::Lazy を返すかどうかにあります。

2つのクラス自体の機能としては、ほとんど違いはありません。

言い方を変えれば、Enumerator::Lazy の真の目的は lazy版のmap や select を再定義することにあります。

lazyを付けるとmapの動作が変わる不思議な仕様

なぜ、lazy を付けると map や select の動作が変わる不思議な動作にしたのか？と疑問に思った人もいると思います。

Enumerable#lazy を作った Yutaka HARA さんが、るびまで答えていました。

Enumerable モジュールには、lazy 版がほしくなるようなメソッドが map、select、reject、drop、... とたくさんある。
全部追加すると、Enumerable モジュールのメソッドが増えすぎる。
Enumerator::Lazy 名前空間を提供することによって、「lazy」というメソッド名をひとつ追加するだけで lazy 版の map や select などが使えるようにした。

リンク先の記事でも、Enumerable#lazyは「map や select などの lazy 版を提供するための名前空間を提供するメソッド」というのがより正確な説明になると述べられています。

まとめ

遅延リストによって、無限リストなどをシンプルに扱うことができる
Enumerator::Lazy と Enumerator の本質的な違いは、map や select などのメソッドの挙動の違いにある
Enumerator::Lazy の真の目的は lazy版の map や select を再定義すること

補足

クラスの継承関係

Enumerator::LazyやEnumerator、Enumerableなどの継承関係が複雑なので、図にまとめました。

遅延リストが使える場面

最後に遅延リストが有効に使える場面を考えてみました。

数学的に無限長の数列を扱いたい
TwitterのTimeLine
巨大なファイル(の一部だけ処理したい)

特に、数学的な処理には強力だと思います。

map や first メソッドを使って、数列の長さを気にせずに、各処理を抽象化できるのが強力だと思います。

ブログやっています。

ブログにも同じ内容の記事を書きました。

EnumeratorとEnumerator::Lazyの違い