～モナドによる関心事分離とパターンの自動適用～

第2回：Ohama - 横断的関心事の実装

～モナドによる関心事分離とパターンの自動適用～

はじめに

前回のアーキテクチャ概観を踏まえ、今回はOhamaフレームワークの詳細な実装を解説します。Ohamaフレームワークは以下の特徴を持ちます：

• モナドベースの関心事分離
• デザインパターンの自動適用
• ボイラープレートの削減
• 透過的な機能追加

モナドベースの関心事分離

// 基本的なモナド型の定義
pub struct Concern<T> {
    value: T,
    context: ConcernContext,
}

impl<T> Concern<T> {
    pub fn new(value: T) -> Self {
        Self {
            value,
            context: ConcernContext::default(),
        }
    }

    pub fn map<U, F>(self, f: F) -> Concern<U>
    where
        F: FnOnce(T) -> U,
    {
        Concern {
            value: f(self.value),
            context: self.context,
        }
    }

    pub fn and_then<U, F>(self, f: F) -> Concern<U>
    where
        F: FnOnce(T) -> Concern<U>,
    {
        let result = f(self.value);
        Concern {
            value: result.value,
            context: self.context.merge(result.context),
        }
    }
}

// 横断的関心事の実装例
pub trait CrossCuttingConcern {
    fn before<T>(&self, value: &T, context: &ConcernContext);
    fn after<T>(&self, value: &T, context: &ConcernContext);
    fn on_error(&self, error: &Error, context: &ConcernContext);
}

// ロギング関心事の実装
pub struct LoggingConcern {
    logger: Logger,
}

impl CrossCuttingConcern for LoggingConcern {
    fn before<T>(&self, value: &T, context: &ConcernContext) {
        self.logger.info(&format!("Starting operation: {:?}", value));
    }

    fn after<T>(&self, value: &T, context: &ConcernContext) {
        self.logger.info(&format!("Operation completed: {:?}", value));
    }

    fn on_error(&self, error: &Error, context: &ConcernContext) {
        self.logger.error(&format!("Operation failed: {}", error));
    }
}

デザインパターンのフレームワーク化

// パターンレジストリの実装
pub struct PatternRegistry {
    patterns: HashMap<PatternId, Box<dyn Pattern>>,
}

impl PatternRegistry {
    pub fn register<P: Pattern + 'static>(&mut self, pattern: P) {
        self.patterns.insert(pattern.id(), Box::new(pattern));
    }

    pub fn apply_pattern<T>(&self, pattern_id: PatternId, target: T) -> Result<T>
    where
        T: ApplyPattern,
    {
        let pattern = self.patterns.get(&pattern_id)
            .ok_or(Error::PatternNotFound)?;
        pattern.apply(target)
    }
}

// パターン適用のトレイト
pub trait Pattern: Send + Sync {
    fn id(&self) -> PatternId;
    fn apply<T: ApplyPattern>(&self, target: T) -> Result<T>;
}

// デコレータパターンの実装例
pub struct DecoratorPattern<T> {
    id: PatternId,
    decorator: Box<dyn Fn(T) -> Result<T>>,
}

impl<T: 'static> Pattern for DecoratorPattern<T> {
    fn id(&self) -> PatternId {
        self.id
    }

    fn apply<U: ApplyPattern>(&self, target: U) -> Result<U> {
        if let Some(value) = target.as_any().downcast_ref::<T>() {
            let decorated = (self.decorator)(value.clone())?;
            Ok(decorated.into())
        } else {
            Err(Error::TypeMismatch)
        }
    }
}

パターンの自動適用メカニズム

// パターン自動適用のマクロ
#[macro_export]
macro_rules! apply_patterns {
    ($target:expr, $($pattern:expr),*) => {{
        let mut result = $target;
        $(
            result = $pattern.apply(result)?;
        )*
        Ok(result)
    }}
}

// パターン適用の属性マクロ
#[proc_macro_attribute]
pub fn pattern(attr: TokenStream, item: TokenStream) -> TokenStream {
    let pattern_id: PatternId = syn::parse(attr).unwrap();
    let input = syn::parse::<ItemFn>(item).unwrap();

    // パターン適用のコード生成
    quote! {
        #[allow(non_snake_case)]
        pub fn #input.ident #input.sig {
            let result = #input.block;
            PATTERN_REGISTRY.apply_pattern(#pattern_id, result)
        }
    }.into()
}

実装例：ロギングとトレーシングの統合

// ログとトレースを統合した関心事の実装
pub struct LogTrace {
    logger: Logger,
    tracer: Tracer,
}

impl CrossCuttingConcern for LogTrace {
    fn before<T>(&self, value: &T, context: &ConcernContext) {
        let span = self.tracer.create_span("operation");
        self.logger.info_with_span(&span, &format!("Starting: {:?}", value));
        context.set_span(span);
    }

    fn after<T>(&self, value: &T, context: &ConcernContext) {
        if let Some(span) = context.get_span() {
            self.logger.info_with_span(span, &format!("Completed: {:?}", value));
            span.end();
        }
    }
}

// 使用例
#[pattern(log_trace)]
fn process_data(data: &str) -> Result<String> {
    // データ処理ロジック
    Ok(data.to_uppercase())
}

// 実行時の自動適用
fn main() -> Result<()> {
    let result = Concern::new("hello world")
        .map(|s| process_data(s)?)?
        .and_then(|s| validate_data(s))?
        .value;
    
    println!("Result: {}", result);
    Ok(())
}

モナド変換子の実装

// モナド変換子の基本実装
pub struct ConcernT<M> {
    inner: M,
    context: ConcernContext,
}

impl<M, T> ConcernT<M>
where
    M: Monad<T>,
{
    pub fn new(monad: M) -> Self {
        Self {
            inner: monad,
            context: ConcernContext::default(),
        }
    }

    pub fn lift<U>(monad: M) -> ConcernT<M>
    where
        M: Monad<U>,
    {
        ConcernT::new(monad)
    }

    pub fn run(self) -> M {
        self.inner
    }
}

今回のまとめ

1. モナドベースの関心事分離により、横断的な機能を透過的に適用できる
2. デザインパターンのフレームワーク化で、パターンの再利用性が向上
3. 属性マクロによる自動適用で、ボイラープレートを削減
4. モナド変換子により、異なるモナドの組み合わせが可能

次回予告

第3回では、cusinartフレームワークの分散処理基盤について解説します。透過的な分散処理の実装とノード間通信の最適化を中心に、具体的な実装例を示していきます。

参考資料

• Aspect-Oriented Programming in Rust
• Monad Transformers Step by Step
• Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software
• Attribute Macros in Rust