【GoFデザインパターン】Visitor(ビジター)パターンをJavaで理解する

はじめに

本記事は、GoFデザインパターン解説シリーズの1つです。

今回でいよいよGoFの23パターン最後、Visitor(ビジター)パターンを解説します。

「データ構造」と「データに対する処理」を分離するという、少しトリッキーですが強力な考え方を学びます。

解決したい課題

複数の種類のクラス(例えば図形のCircle・Rectangle・Triangle)からなるデータ構造に対して、新しい種類の処理(操作)を追加したいが、各クラスのコード自体は変更したくない(できない)という場面があります。

素朴な方法として、各クラスに直接メソッドを追加する(CircleにcalculateArea()、exportToJson()、renderToScreen()...とメソッドを増やしていく)実装をすると、新しい操作を追加するたびに、全種類のクラスに同じような追加が必要になり、クラス自体がどんどん肥大化していきます。

また、サードパーティ製のライブラリが提供するクラスなど、そもそも自分ではコードを編集できないクラスに対して、新しい操作を追加すること自体ができません。

Visitorパターンは、「処理(操作)」を、データ構造のクラス自体からは切り離し、外部の「訪問者(Visitor)」オブジェクトとして表現することで、この問題を解決します。

新しい操作を追加したい場合は、新しいVisitorクラスを1つ追加するだけで済み、既存のデータ構造クラスのコードは変更不要になります。

クラス構成

• Element(要素): Visitorを受け入れるメソッド(accept())を持つ、共通インターフェース
• ConcreteElement(具体的な要素): 実際のデータ構造を表す、具体的なクラス群
• Visitor(ビジター): 各ConcreteElementに対応する処理メソッドを持つ、共通インターフェース
• ConcreteVisitor(具体的なビジター): 実際の処理内容を実装する、具体的なVisitorクラス

Javaでの実装例

図形(Circle・Rectangle)に対して、「面積計算」「JSON出力」という2種類の操作をVisitorとして実装してみます。

Element：図形共通のインターフェース

public interface Shape {
    // 「自分自身をVisitorに渡す」というのが特徴的なポイント(ダブルディスパッチ)
    void accept(ShapeVisitor visitor);
}

ConcreteElement：具体的な図形クラス

public class Circle implements Shape {
    private final double radius;

    public Circle(double radius) {
        this.radius = radius;
    }

    public double getRadius() {
        return radius;
    }

    @Override
    public void accept(ShapeVisitor visitor) {
        visitor.visit(this); // 自分の具体的な型(Circle)をVisitorに渡す
    }
}

public class Rectangle implements Shape {
    private final double width;
    private final double height;

    public Rectangle(double width, double height) {
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    public double getWidth() {
        return width;
    }

    public double getHeight() {
        return height;
    }

    @Override
    public void accept(ShapeVisitor visitor) {
        visitor.visit(this);
    }
}

Visitor：共通インターフェース

public interface ShapeVisitor {
    void visit(Circle circle);
    void visit(Rectangle rectangle);
}

ConcreteVisitor：具体的な処理群

public class AreaCalculatorVisitor implements ShapeVisitor {
    private double totalArea = 0;

    @Override
    public void visit(Circle circle) {
        double area = Math.PI * circle.getRadius() * circle.getRadius();
        System.out.println("円の面積: " + area);
        totalArea += area;
    }

    @Override
    public void visit(Rectangle rectangle) {
        double area = rectangle.getWidth() * rectangle.getHeight();
        System.out.println("四角形の面積: " + area);
        totalArea += area;
    }

    public double getTotalArea() {
        return totalArea;
    }
}

public class JsonExportVisitor implements ShapeVisitor {
    @Override
    public void visit(Circle circle) {
        System.out.println("{\"type\": \"circle\", \"radius\": " + circle.getRadius() + "}");
    }

    @Override
    public void visit(Rectangle rectangle) {
        System.out.println("{\"type\": \"rectangle\", \"width\": " + rectangle.getWidth()
            + ", \"height\": " + rectangle.getHeight() + "}");
    }
}

利用側のコード

import java.util.List;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Shape> shapes = List.of(
            new Circle(5.0),
            new Rectangle(4.0, 6.0)
        );

        System.out.println("--- 面積計算 ---");
        AreaCalculatorVisitor areaVisitor = new AreaCalculatorVisitor();
        for (Shape shape : shapes) {
            shape.accept(areaVisitor); // 図形側は「自分をvisitorに渡す」だけ
        }
        System.out.println("合計面積: " + areaVisitor.getTotalArea());

        System.out.println();

        System.out.println("--- JSON出力 ---");
        JsonExportVisitor jsonVisitor = new JsonExportVisitor();
        for (Shape shape : shapes) {
            shape.accept(jsonVisitor);
        }
    }
}

実行結果:

--- 面積計算 ---
円の面積: 78.53981633974483
四角形の面積: 24.0
合計面積: 102.53981633974483

--- JSON出力 ---
{"type": "circle", "radius": 5.0}
{"type": "rectangle", "width": 4.0, "height": 6.0}

Circle・Rectangleクラスには、「面積を計算する」「JSONに変換する」といった処理のロジックは一切書かれていません。

それぞれの処理はAreaCalculatorVisitor・JsonExportVisitorという、独立したVisitorクラスに実装されています。

新しい操作(例えば「SVGとして描画する」)を追加したい場合も、新しいShapeVisitor実装クラスを1つ追加するだけでよく、Circle・Rectangleのコードは一切変更する必要がありません。

なぜaccept(visitor)が必要なのか(ダブルディスパッチ)

「visitor.visit(shape)のように、直接Visitor側から図形を渡せばよいのでは?」と思うかもしれません。

しかし、shapesリストの要素の型はShape(インターフェース)であり、Javaのメソッドオーバーロードの解決はコンパイル時の静的型に基づいて行われるため、visitor.visit(shape)と書いてしまうと、実際の中身がCircleでもRectangleでも、コンパイル時の型Shapeに対応するオーバーロードを解決できず、意図通りに動きません。

そこで、各ConcreteElement自身にaccept(visitor)を実装させ、その中でvisitor.visit(this)と自分自身の具体的な型で呼び出すことで、正しいオーバーロードが選ばれるようにしています。

この「2段階の呼び出し」の仕組みはダブルディスパッチと呼ばれ、Visitorパターンの核心的なテクニックです。

使用場面

• コンパイラ・インタープリターにおける、構文木(AST)に対する複数の処理(型チェック、コード生成、最適化など)
• 複数の種類の要素からなるデータ構造に対して、頻繁に新しい種類の「処理」を追加する必要があるが、要素の種類(クラス)自体はあまり増えない場合
• 既存のクラス群(変更できないライブラリのクラスなど)に、後から新しい操作を追加したい場合

注意点

Visitorパターンは、要素の種類(ConcreteElement)が増えるたびに、すべてのVisitor実装に新しいメソッドを追加しなければならないという、Strategyパターンなどとは逆方向のトレードオフを持ちます。

「処理の種類は増えるが、データ構造の種類はあまり増えない」場合に向いているパターンであり、逆に「データ構造の種類が頻繁に増える」場合には不向きです。

また、ダブルディスパッチの仕組みはやや理解しづらく、GoFの23パターンの中でも学習コストが高いパターンの1つとされています。

まとめ

項目	内容
解決する課題	既存のデータ構造クラス群に対して、新しい処理を、クラス自体を変更せずに追加したい
実現方法	処理をVisitorオブジェクトとして切り出し、各要素にaccept()経由でダブルディスパッチさせる
メリット	新しい操作の追加が、新しいVisitorクラスの追加だけで完結する
注意点	要素の種類が増えるたびに、全Visitor実装の修正が必要になる(トレードオフの向きがStrategy等と逆)

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参考

• Design Patterns - Refactoring.Guru: Visitor