Python文法100本ノック vol.6 ~継承・ポリモーフィズム・特殊メソッド~

まえがき

Python100本ノックについての記事です。既存の100本ノックは幾分簡単すぎるようにも感じており、それに対するアンサー記事となります。誤りなどがあれば、ご指摘ください。今回は本番編として、継承・ポリモーフィズム・特殊メソッドを中心に10問扱います。

Q.51

項目	内容
クラス名	Shape3D（ABC） + Sphere, Cube, Cylinder
発展仕様	- abc.ABC, @abstractmethod による抽象基底設計 - volume/surface_areaの抽象定義 - @total_ordering で体積比較 - __eq__, __lt__ で比較対応 - __repr__ 明示設計 - to_dict, to_json によるシリアライズ対応
使用構文	abc.ABC, @abstractmethod, @total_ordering, __eq__, __lt__, math, json, __repr__, super()
問題文	Shape3D 抽象基底クラスを定義し、volume()・surface_area() の抽象メソッドを持たせよ。 その上で、球体 Sphere・立方体 Cube・円柱 Cylinder を具象サブクラスとして実装し、 体積順の大小比較・等価比較・repr表現・辞書/JSON形式のシリアライズ機能も実装すること。 また、浮動小数点の誤差にも配慮した比較演算が行えるようにせよ。

A.51

■ 模範解答

from abc import ABC, abstractmethod       # 抽象基底クラスのためのインポート
from functools import total_ordering      # __lt__ 定義だけで他の比較演算を補完
import math
import json

@total_ordering
class Shape3D(ABC):
    @abstractmethod
    def volume(self) -> float:
        """体積を返す抽象メソッド"""
        pass

    @abstractmethod
    def surface_area(self) -> float:
        """表面積を返す抽象メソッド"""
        pass

    @abstractmethod
    def to_dict(self) -> dict:
        """シリアライズ用：辞書変換"""
        pass

    def to_json(self) -> str:
        # JSON文字列に変換（共通実装）
        return json.dumps(self.to_dict())

    def __eq__(self, other) -> bool:
        # 等価比較は体積で行う
        if not isinstance(other, Shape3D):
            return NotImplemented
        return math.isclose(self.volume(), other.volume(), rel_tol=1e-6)

    def __lt__(self, other) -> bool:
        # 小なり比較も体積基準
        if not isinstance(other, Shape3D):
            return NotImplemented
        return self.volume() < other.volume()

    def __repr__(self) -> str:
        return f"<{self.__class__.__name__}: volume={self.volume():.2f}, surface={self.surface_area():.2f}>"

# -------------------
# 各サブクラス定義
# -------------------

class Sphere(Shape3D):
    def __init__(self, radius: float):
        self.radius = radius

    def volume(self) -> float:
        return (4/3) * math.pi * self.radius ** 3

    def surface_area(self) -> float:
        return 4 * math.pi * self.radius ** 2

    def to_dict(self) -> dict:
        return {"type": "Sphere", "radius": self.radius}

class Cube(Shape3D):
    def __init__(self, side: float):
        self.side = side

    def volume(self) -> float:
        return self.side ** 3

    def surface_area(self) -> float:
        return 6 * self.side ** 2

    def to_dict(self) -> dict:
        return {"type": "Cube", "side": self.side}

class Cylinder(Shape3D):
    def __init__(self, radius: float, height: float):
        self.radius = radius
        self.height = height

    def volume(self) -> float:
        return math.pi * self.radius ** 2 * self.height

    def surface_area(self) -> float:
        return 2 * math.pi * self.radius * (self.radius + self.height)

    def to_dict(self) -> dict:
        return {"type": "Cylinder", "radius": self.radius, "height": self.height}

実行例1：オブジェクト比較と出力

s1 = Sphere(2)
c1 = Cube(2.5)
cy1 = Cylinder(1, 6)

print(s1)     # <Sphere: volume=33.51, surface=50.27>
print(c1)     # <Cube: volume=15.62, surface=37.50>
print(s1 > c1)  # True
print(s1.to_json())  # {"type": "Sphere", "radius": 2}

実行例2：基本使用（整数除算）

shapes = [Cylinder(1, 2), Sphere(1.5), Cube(2)]
sorted_shapes = sorted(shapes)  # 体積順に並び替え

for s in sorted_shapes:
    print(s)

print(Sphere(1.5) == Sphere(1.5))  # True
print(Sphere(1.5) == Cylinder(1, 3))  # False（体積が異なるため）

■ 文法・構文まとめ

使用構文	解説
abc.ABC	抽象基底クラスの設計により「共通インターフェース」を強制する構造を実現
@abstractmethod	抽象メソッドとして volume / surface_area / to_dict を定義
@total_ordering	__lt__ と __eq__ の定義だけで全ての比較演算子が機能する
math.isclose()	浮動小数点の比較に安全な体積等価判定
json.dumps()	クラス状態をJSONとして出力可能
super()	継承関係の構造設計でも活用可能（今回は不要だが拡張に備え意識させる）

Q.52

項目	内容
クラス名	LoggerMixin, DataEntity
使用構文	多重継承, super(), logging, __getattr__, __setattr__, @property, __slots__, isinstance, datetime, typing
問題文	属性アクセス時にログを出力し、更新時には型チェックおよび自動保存を行う LoggerMixin を定義せよ。 これを継承する DataEntity クラスでは name (str) と age (int) を保持し、値の変更はログに記録されるとともに、型が合致しない場合は例外を送出せよ。 ログには日時も記録され、保存処理はコンソール出力により模倣されること。

A.52

■ 模範解答

import logging
from datetime import datetime
from typing import Any

# ロガーの初期設定
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(message)s')

class LoggerMixin:
    def __getattr__(self, name: str) -> Any:
        # 存在しない属性にアクセスした際のログ出力
        logging.info(f"[GET] 属性 '{name}' を取得しようとしました")
        raise AttributeError(f"{name} 属性は存在しません")

    def __setattr__(self, name: str, value: Any) -> None:
        # 属性を更新する際のログ出力と自動保存
        if hasattr(self, '__slots__') and name in self.__slots__:
            expected_type = self.__annotations__.get(name, Any)
            if not isinstance(value, expected_type):
                raise TypeError(f"{name} には {expected_type.__name__} 型が必要です")
        logging.info(f"[SET] 属性 '{name}' を {value!r} に更新")
        super().__setattr__(name, value)
        self.save()  # 自動保存を模擬的に呼び出す

    def save(self):
        # 保存処理の模倣（ここではコンソール出力）
        print(f"[{datetime.now()}] データ保存完了")

class DataEntity(LoggerMixin):
    __slots__ = ('name', 'age')
    name: str
    age: int

    def __init__(self, name: str, age: int):
        self.name = name  # __setattr__ 経由
        self.age = age

    def __repr__(self):
        return f"<DataEntity name={self.name!r}, age={self.age}>"

実行例1：正常な属性変更

entity = DataEntity("Alice", 30)
entity.age = 31

実行結果1

INFO - [SET] 属性 'name' を 'Alice' に更新
[2025-07-27 22:00:00] データ保存完了
INFO - [SET] 属性 'age' を 30 に更新
[2025-07-27 22:00:00] データ保存完了
INFO - [SET] 属性 'age' を 31 に更新
[2025-07-27 22:00:00] データ保存完了

実行例2：型が間違っている場合

entity = DataEntity("Bob", 40)
entity.age = "forty"

実行結果2

INFO - [SET] 属性 'name' を 'Bob' に更新
[2025-07-27 22:00:00] データ保存完了
INFO - [SET] 属性 'age' を 40 に更新
[2025-07-27 22:00:00] データ保存完了
TypeError: age には int 型が必要です

■ 文法・構文まとめ

構文・機能	説明
__slots__	属性名を固定化し、インスタンスの軽量化および属性検査に活用
__setattr__	属性変更をフックし、ログ出力＋型検証＋保存処理を統合
__getattr__	存在しない属性アクセス時のログ記録と例外送出
super()	LoggerMixin → DataEntity の継承構造における親クラスの呼び出し
isinstance()	型安全性チェック（ヒントは __annotations__ 経由）
logging	INFOレベルでログ出力。動的属性アクセスログや変更履歴の追跡に活用
@property（未使用）	__slots__ と __setattr__ を併用することで十分な制御を実現
datetime.now()	保存タイミングの記録に使用

Q.53

項目	内容
クラス名	MultiKeySortable
使用構文	@total_ordering, __eq__, __lt__, @property, operator.attrgetter, functools.cmp_to_key, classmethod, ValueError
問題文	複数のソートキーを持ち、順序変更も可能な比較クラス MultiKeySortable を定義せよ。 全インスタンスに対して動的に優先ソートキーを変更でき、__eq__/__lt__ の比較動作もキー順に従って行われるようにせよ。 未定義属性をキーに指定した場合は例外を送出すること。

A.53

■ 模範解答

from functools import total_ordering
from operator import attrgetter
from typing import Any, ClassVar

@total_ordering
class MultiKeySortable:
    # クラス変数: ソートに使用する属性のリスト（初期値）
    _sort_keys: ClassVar[list[str]] = ["priority", "timestamp"]

    def __init__(self, name: str, priority: int, timestamp: float):
        self.name = name
        self.priority = priority
        self.timestamp = timestamp

    @classmethod
    def set_sort_keys(cls, keys: list[str]) -> None:
        """ソート優先順を設定。存在しない属性を指定した場合は例外。"""
        for key in keys:
            if not hasattr(cls, key):
                raise ValueError(f"'{key}' は存在しない属性です")
        cls._sort_keys = keys

    def _comparison_tuple(self) -> tuple:
        """現在のソートキー順に従って比較対象となる値のタプルを返す"""
        return tuple(getattr(self, key) for key in self._sort_keys)

    def __eq__(self, other: Any) -> bool:
        if not isinstance(other, MultiKeySortable):
            return NotImplemented
        return self._comparison_tuple() == other._comparison_tuple()

    def __lt__(self, other: Any) -> bool:
        if not isinstance(other, MultiKeySortable):
            return NotImplemented
        return self._comparison_tuple() < other._comparison_tuple()

    def __repr__(self):
        return f"{self.__class__.__name__}(name={self.name!r}, priority={self.priority}, timestamp={self.timestamp})"

実行例1：デフォルトソート（priority → timestamp）

objs = [
    MultiKeySortable("TaskA", priority=2, timestamp=100.5),
    MultiKeySortable("TaskB", priority=1, timestamp=101.1),
    MultiKeySortable("TaskC", priority=1, timestamp=99.9),
]

sorted_objs = sorted(objs)
print(sorted_objs)

実行結果1

[MultiKeySortable(name='TaskC', priority=1, timestamp=99.9),
 MultiKeySortable(name='TaskB', priority=1, timestamp=101.1),
 MultiKeySortable(name='TaskA', priority=2, timestamp=100.5)]

実行例2：ソートキー変更（timestamp のみ）

entity = DataEntity("Bob", 40)
entity.age = "forty"

実行結果2

[MultiKeySortable(name='TaskC', priority=1, timestamp=99.9),
 MultiKeySortable(name='TaskA', priority=2, timestamp=100.5),
 MultiKeySortable(name='TaskB', priority=1, timestamp=101.1)]

■ 文法・構文まとめ

構文・機能	説明
@total_ordering	__eq__ と __lt__ から他の比較演算子を自動生成
@classmethod	クラス全体のソートキーを外部から設定できるメソッド
getattr	動的に属性値を取得するための組み込み関数
tuple(...) 比較	優先キー順に比較を行うために、属性値をタプルにまとめて比較
__eq__, __lt__	オブジェクトの等価性および大小比較のために明示的に定義
ClassVar（typing）	sort_keys をインスタンスではなくクラス変数として型注釈
ValueError	存在しない属性をソートキーに指定した場合の防御的設計

Q.54

項目	内容
クラス名	VersionedDataObject
概要	一意なID（UUID）と version 属性を持つデータオブジェクト。変更は update() 経由でのみ可能で、変更時は version を自動インクリメント。
使用構文	__hash__, __eq__, @property, __dict__, copy.deepcopy, uuid, json, property.setter, classmethod, @staticmethod
特記事項	- __hash__ は不変情報（uuid）を元に計算 - __eq__ は uuid ベースで比較 - serialize() で JSON 化 - update() により安全な更新と version 管理
一意な UUID、version 属性、データ辞書を持つクラス VersionedDataObject を定義せよ。更新は update(data: dict) メソッドを通じてのみ行い、そのたびに version をインクリメントすること。オブジェクトは __hash__ によりハッシュ可能であり、UUID に基づいて等価比較が可能であること。また、JSON 文字列に変換可能な serialize() メソッドも実装せよ。

A.54

■ 模範解答

import uuid
import json
import copy
from typing import Any


class VersionedDataObject:
    def __init__(self, data: dict[str, Any]):
        # 一意なIDを生成
        self._uuid = uuid.uuid4()
        # データ内容はディープコピーで保持（外部参照を遮断）
        self._data = copy.deepcopy(data)
        self._version = 1  # 初期バージョン

    @property
    def uuid(self) -> str:
        # UUIDを外部公開（読み取り専用）
        return str(self._uuid)

    @property
    def version(self) -> int:
        return self._version

    @property
    def data(self) -> dict[str, Any]:
        # 外部に渡す際もコピーを返して不変性を保持
        return copy.deepcopy(self._data)

    def update(self, new_data: dict[str, Any]) -> None:
        # 入力はディクショナリのみ許可
        if not isinstance(new_data, dict):
            raise TypeError("update() expects a dict")

        # データを更新し、バージョンを1つ進める
        self._data.update(new_data)
        self._version += 1

    def serialize(self) -> str:
        # UUID, version, data を JSON 文字列に変換
        return json.dumps({
            "uuid": self.uuid,
            "version": self.version,
            "data": self._data
        })

    def __hash__(self) -> int:
        # UUID を基にハッシュ可能にする
        return hash(self._uuid)

    def __eq__(self, other: Any) -> bool:
        # UUID が一致すれば等価とする
        if not isinstance(other, VersionedDataObject):
            return NotImplemented
        return self._uuid == other._uuid

    def __repr__(self) -> str:
        return (f"{self.__class__.__name__}(uuid={self.uuid}, "
                f"version={self.version}, data={self._data})")

実行例1：初期化と更新・バージョン確認

obj = VersionedDataObject({'name': 'Alice', 'age': 30})
print(obj)  # 初期状態

obj.update({'age': 31})  # 更新
print(obj.version)       # 2
print(obj.data)          # {'name': 'Alice', 'age': 31}

実行例2：等価性・ハッシュ性・シリアライズ確認

entity = DataEntity("Bob", 40)
entity.age = "forty"

■ 文法・構文まとめ

使用構文	説明
__hash__	UUID を基にオブジェクトをハッシュ可能に
__eq__	UUID を基にオブジェクトの等価性を判断
@property	uuid, version, data を読み取り専用属性として公開
copy.deepcopy	外部からの変更を防ぐため、内部データを複製
uuid.uuid4()	各インスタンスを一意に識別するための ID 生成
json.dumps()	シリアライズ形式（辞書）を JSON 文字列に変換
__repr__	開発者向けのデバッグ出力に役立つ形式で情報を出力
例外処理 (TypeError)	update() に無効な型を渡した場合に明示的にエラーを発生させる

Q.55

項目	内容
クラス名	Vector
概要	数値ベクトルの演算クラス。+, -, *, ==, len, getitem, contains, abs に対応し、スカラー／ベクトル両対応演算・内積・ノルムなども実装。
使用構文	__add__, __sub__, __mul__, __eq__, __getitem__, __contains__, __len__, __abs__, zip, enumerate, isinstance, math.sqrt, round

数値ベクトルを表す Vector クラスを定義せよ。2つのベクトル間での加算・減算・乗算（内積）、およびスカラーとの加減乗算も可能とすること。また、ベクトルの長さ len()、要素アクセス、メンバシップ演算、ノルム計算（abs()）をサポートせよ。等価比較はすべての要素の一致に基づき、浮動小数点誤差を許容すること。

A.55

■ 模範解答

import math
from typing import Union, Iterable


class Vector:
    def __init__(self, values: Iterable[float]):
        # 入力が数値のリストであることをチェック
        self._data = [float(v) for v in values]

    def __len__(self) -> int:
        # ベクトルの次元（要素数）を返す
        return len(self._data)

    def __getitem__(self, index: int) -> float:
        # 添字アクセスを許可
        return self._data[index]

    def __contains__(self, value: float) -> bool:
        # 値がベクトル内に存在するかを確認（浮動小数点誤差を考慮）
        return any(math.isclose(v, value, rel_tol=1e-9) for v in self._data)

    def __add__(self, other: Union['Vector', float]) -> 'Vector':
        # ベクトル同士の加算 または スカラー加算
        if isinstance(other, Vector):
            if len(self) != len(other):
                raise ValueError("Vector dimensions must match for addition")
            return Vector(a + b for a, b in zip(self._data, other._data))
        elif isinstance(other, (int, float)):
            return Vector(v + other for v in self._data)
        return NotImplemented

    def __sub__(self, other: Union['Vector', float]) -> 'Vector':
        # ベクトル同士 または スカラーとの減算
        if isinstance(other, Vector):
            if len(self) != len(other):
                raise ValueError("Vector dimensions must match for subtraction")
            return Vector(a - b for a, b in zip(self._data, other._data))
        elif isinstance(other, (int, float)):
            return Vector(v - other for v in self._data)
        return NotImplemented

    def __mul__(self, other: Union['Vector', float]) -> Union['Vector', float]:
        # スカラー乗算 または ベクトル間の内積
        if isinstance(other, Vector):
            if len(self) != len(other):
                raise ValueError("Vector dimensions must match for dot product")
            return sum(a * b for a, b in zip(self._data, other._data))  # 内積を返す
        elif isinstance(other, (int, float)):
            return Vector(v * other for v in self._data)  # スカラー乗算
        return NotImplemented

    def __eq__(self, other: object) -> bool:
        # 要素ごとの一致を浮動小数点誤差を許容して比較
        if not isinstance(other, Vector) or len(self) != len(other):
            return False
        return all(math.isclose(a, b, rel_tol=1e-9) for a, b in zip(self._data, other._data))

    def __abs__(self) -> float:
        # ユークリッドノルム（2-norm）を返す
        return math.sqrt(sum(v ** 2 for v in self._data))

    def __repr__(self) -> str:
        # デバッグ・表示用の文字列表現
        return f"Vector({[round(v, 4) for v in self._data]})"

実行例1：ベクトル同士の演算

obj = VersionedDataObject({'name': 'Alice', 'age': 30})
print(obj)  # 初期状態

obj.update({'age': 31})  # 更新
print(obj.version)       # 2
print(obj.data)          # {'name': 'Alice', 'age': 31}

実行例2：スカラー演算とノルム・等価比較

entity = DataEntity("Bob", 40)
entity.age = "forty"

■ 文法・構文まとめ

使用構文	解説
__add__, __sub__	ベクトル同士の要素ごとの演算、およびスカラーとの演算に対応
__mul__	ベクトルとの内積／スカラーとの各要素乗算を両対応
__getitem__	添字アクセス（例: v[1]）をサポート
__contains__	in 演算子で含まれるかチェック（誤差許容）
__eq__	ベクトル同士の誤差付き等価性比較
__len__	ベクトルの次元数を返す
__abs__	ユークリッドノルム（ベクトルの大きさ）を返す
enumerate, zip	ベクトル要素の並列処理・インデックス操作
isinstance	動的型検査により多態的な演算子対応を可能に
math.isclose	浮動小数点演算での誤差許容

Q.56

項目	内容
クラス名	AdvancedContainer
概要	任意要素を保持するコンテナ。スライス／インデックス取得、map/filter対応、ジェネレータ式対応、イミュータブル化オプション付き。
使用構文	__getitem__, __iter__, __len__, slice, map, filter, @property, isinstance, collections.abc.Sequence, frozen設計
発展仕様	- スライス・インデックスアクセス - map/filter適用メソッド - イミュータブル化スイッチ - 部分取得の再帰対応 - __repr__あり

AdvancedContainer クラスを定義せよ。このクラスは任意のデータ列を保持し、以下の要件を満たすこと：
・インデックスアクセス／スライスに対応（ __getitem__ ）
len(), iter() 対応
map(func) や filter(func) による関数適用
frozen=True のとき、内容変更は禁止（属性書き換え不可）
__repr__ で内容を簡潔に表示
スライス取得は再帰的に AdvancedContainer を返す

A.56

■ 模範解答

from typing import Iterable, Callable, Iterator, Any, Union
import copy


class AdvancedContainer:
    def __init__(self, data: Iterable, frozen: bool = False):
        # データはリストとして内部保持
        self._data = list(data)
        # frozen によって変更可能性を制御
        self._frozen = frozen

    def __len__(self) -> int:
        # 要素数の取得
        return len(self._data)

    def __iter__(self) -> Iterator:
        # イテレータ対応
        return iter(self._data)

    def __getitem__(self, index: Union[int, slice]) -> Union[Any, 'AdvancedContainer']:
        # インデックスまたはスライスの取得に対応
        if isinstance(index, slice):
            # スライスは新しい AdvancedContainer として返す
            return AdvancedContainer(self._data[index], frozen=self._frozen)
        return self._data[index]

    def map(self, func: Callable) -> 'AdvancedContainer':
        # map 適用。結果は新しいコンテナにする
        return AdvancedContainer(map(func, self._data), frozen=self._frozen)

    def filter(self, predicate: Callable) -> 'AdvancedContainer':
        # filter 適用。条件に合う要素だけを保持
        return AdvancedContainer(filter(predicate, self._data), frozen=self._frozen)

    @property
    def frozen(self) -> bool:
        # frozen 状態の参照用プロパティ
        return self._frozen

    def __setattr__(self, key, value):
        # frozen のときは属性変更禁止（初期化除く）
        if hasattr(self, '_frozen') and self._frozen and key not in {'_frozen', '_data'}:
            raise AttributeError(f"Cannot modify attribute '{key}' in frozen container")
        # 通常の属性設定
        object.__setattr__(self, key, value)

    def __repr__(self) -> str:
        # 表示用：最初の数個だけ省略形式で表示
        preview = self._data[:5]
        return f"AdvancedContainer({preview}{'...' if len(self._data) > 5 else ''}, frozen={self._frozen})"

実行例1：ベクトル同士の演算

ac = AdvancedContainer(range(10))
print(ac[2])                            # 2（インデックス）
print(ac[3:7])                          # AdvancedContainer([3, 4, 5, 6], frozen=False)
print(ac.map(lambda x: x * 2))         # AdvancedContainer([0, 2, 4, 6, 8]..., frozen=False)
print(ac.filter(lambda x: x % 2 == 0)) # AdvancedContainer([0, 2, 4, 6, 8], frozen=False)

実行例2：イミュータブル化とエラー処理

frozen_ac = AdvancedContainer([1, 2, 3], frozen=True)

try:
    frozen_ac.new_attr = 999  # エラー: frozen状態では属性追加不可
except AttributeError as e:
    print(f"Error: {e}")

print(frozen_ac[0])             # 1
print(frozen_ac.map(lambda x: x + 1))  # AdvancedContainer([2, 3, 4], frozen=True)

■ 文法・構文まとめ

使用構文	解説
__getitem__	インデックス／スライス対応を定義
__iter__, __len__	イテラブルコンテナとして振る舞うための必須構文
map, filter	関数型操作（遅延評価を明示せず eager に即評価）
@property	frozen属性の保護された参照
__setattr__	属性変更禁止ロジック（frozen対応）
__repr__	可読性の高い省略形式表示
list, slice, Union	内部表現・型対応を柔軟に処理

Q.57

項目	内容
クラス名	BaseFormatter, UpperCaseFormatter, StripFormatter, SuffixFormatter, FormatterChain
概要	format(value) を持つ複数の Formatter をチェーンで連結し、逐次適用。__call__ でも呼び出せる。クロージャやラムダもサポート。
発展仕様	- FormatterChain.add() で動的に連結 - 各フォーマッタは format(value) を持つ - __call__ でチェーン全体が適用可能 - lambdaや関数も追加可能
使用構文	抽象クラス, 継承, ポリモーフィズム, __call__, super(), lambda, リスト内包, クロージャ的保持, 型チェック, Callable

文字列整形器を合成的に構築する FormatterChain クラスを定義せよ。
各フォーマッタは format(self, value: str) -> str を実装するクラスとする（例：空白除去・大文字化など）。
FormatterChain は複数のフォーマッタを順番に保持し、call で逐次適用する。
フォーマッタにはラムダ関数・クロージャも許容し、lambda v: v[::-1] のような関数型も連結可能とする。** **add(formatter) でチェーンに追加可能とし、str -> str を満たす限り任意の関数／オブジェクトを受け付ける。** **repr()` はチェーン構成を可視化せよ。**

A.57

■ 模範解答

from typing import Callable, Union

# 基底クラス: すべてのFormatterが継承する
class BaseFormatter:
    def format(self, value: str) -> str:
        raise NotImplementedError("Must implement format() method")

    def __call__(self, value: str) -> str:
        # 呼び出し可能にする（関数風）
        return self.format(value)

# 具体的Formatter 1: 文字列を大文字化
class UpperCaseFormatter(BaseFormatter):
    def format(self, value: str) -> str:
        return value.upper()

# 具体的Formatter 2: 両端の空白を除去
class StripFormatter(BaseFormatter):
    def format(self, value: str) -> str:
        return value.strip()

# 具体的Formatter 3: サフィックスを追加
class SuffixFormatter(BaseFormatter):
    def __init__(self, suffix: str):
        self.suffix = suffix

    def format(self, value: str) -> str:
        return value + self.suffix

# チェーンの管理クラス
class FormatterChain:
    def __init__(self):
        # フォーマッタのリスト（クラス or 関数）
        self._formatters: list[Callable[[str], str]] = []

    def add(self, formatter: Union[BaseFormatter, Callable[[str], str]]):
        # Callable[str -> str] であることを保証
        if not callable(formatter):
            raise TypeError("Formatter must be callable (format(value: str) -> str)")
        self._formatters.append(formatter)

    def __call__(self, value: str) -> str:
        # 全てのフォーマッタを順に適用
        for f in self._formatters:
            value = f(value)
        return value

    def __repr__(self):
        # フォーマッタの一覧表示
        names = [f.__class__.__name__ if hasattr(f, '__class__') else f.__name__ for f in self._formatters]
        return f"FormatterChain({names})"

実行例1：ベクトル同士の演算

fc = FormatterChain()
fc.add(StripFormatter())                 # 余白除去
fc.add(UpperCaseFormatter())            # 大文字化
fc.add(SuffixFormatter("!"))            # サフィックス追加

print(fc("   hello world   "))  # 出力: "HELLO WORLD!"
print(repr(fc))                 # 出力: FormatterChain(['StripFormatter', 'UpperCaseFormatter', 'SuffixFormatter'])

実行例2：イミュータブル化とエラー処理

fc2 = FormatterChain()
fc2.add(lambda v: v[::-1])  # 文字列を反転
fc2.add(lambda v: f"[{v}]")  # ブラケットで囲む

print(fc2("  Python  "))     # 出力: [  nohtyP  ]
print(repr(fc2))             # 出力: FormatterChain(['<lambda>', '<lambda>'])

■ 文法・構文まとめ

使用構文	解説
__call__	オブジェクトを関数のように呼び出せるようにする (f(x) の形式)
継承 + ポリモーフィズム	BaseFormatter を基底にして統一インターフェースを確保
lambda, 関数型	lambda や任意の Callable を受け付ける柔軟設計
super()	継承構造の拡張・スーパークラス呼び出し（必要に応じて）
__repr__	チェーン構成の可視化
クロージャ	lambda 内部で状態を保持することで応用可能（例：クロージャで接尾辞管理）

Q.58

項目	内容
概要	Serializable 抽象基底クラスを定義し、to_dict()・to_json() を提供せよ。動的属性取得、ネスト処理、循環参照対策、無視属性指定、関数属性除外に対応。
追加要件	- ネストされた Serializable も再帰処理で辞書化 - 循環参照検出（id() によるトラッキング） - callable 属性は除外 - exclude_fields による属性除外
使用構文	abc.ABC, @abstractmethod, __dict__, json.dumps, hasattr, callable, isinstance, super(), setattr, @property, try/except
発展仕様	- _exclude_fields_ クラス属性により除外対象を定義可能 - repr() にも to_json() を使用し表示を美しく定義 - 非公開属性（先頭_）もオプションで含める
例外設計	- 非シリアライズ可能な型に出会った場合に警告を出す（TypeError）

Serializable という抽象基底クラスを設計せよ。このクラスは以下を満たすこと：
・to_dict() メソッドで自分自身を辞書化できる。
to_json() メソッドでJSON文字列に変換できる。
・自身の属性（ ___dict____ ）を再帰的に辞書化する。ただし関数属性は除外する。
・循環参照がある場合は "__circular__" として表現する。
・exclude_fields 引数で除外したい属性を指定できる。
・_exclude_fields_ というクラス属性であらかじめ除外属性を指定しておける。
・repr() は to_json() の出力を用いて定義すること。
・非公開属性（ _name など）もオプションで含められるようにすること。

A.58

■ 模範解答

import json
from abc import ABC, abstractmethod
from typing import Any


class Serializable(ABC):
    _exclude_fields_: set[str] = set()  # デフォルトで除外するフィールド

    def to_dict(self, exclude_fields=None, include_private=False, _seen=None) -> dict:
        # 循環参照防止のために、すでに見たオブジェクトのIDを記録
        if _seen is None:
            _seen = set()

        result = {}
        exclude_fields = set(exclude_fields or [])
        all_excludes = exclude_fields.union(getattr(self, "_exclude_fields_", set()))

        # オブジェクトの ID を記録して循環参照を検出
        obj_id = id(self)
        if obj_id in _seen:
            return "__circular__"

        _seen.add(obj_id)

        # 属性辞書の取得
        for attr, value in self.__dict__.items():
            if not include_private and attr.startswith("_"):
                continue  # 非公開属性を除外（オプションで含める）
            if attr in all_excludes:
                continue  # 除外リストにある属性はスキップ
            if callable(value):
                continue  # 関数属性は除外

            try:
                if isinstance(value, Serializable):
                    result[attr] = value.to_dict(exclude_fields, include_private, _seen)
                elif isinstance(value, (list, tuple, set)):
                    result[attr] = [
                        v.to_dict(exclude_fields, include_private, _seen)
                        if isinstance(v, Serializable) else v
                        for v in value
                    ]
                elif isinstance(value, dict):
                    result[attr] = {
                        k: v.to_dict(exclude_fields, include_private, _seen)
                        if isinstance(v, Serializable) else v
                        for k, v in value.items()
                    }
                else:
                    result[attr] = value
            except Exception as e:
                # 変換に失敗した場合は警告文字列を入れる
                result[attr] = f"__unserializable__: {e}"

        _seen.remove(obj_id)
        return result

    def to_json(self, **kwargs) -> str:
        try:
            return json.dumps(self.to_dict(), ensure_ascii=False, **kwargs)
        except TypeError as e:
            raise TypeError(f"Serialization failed: {e}") from e

    def __repr__(self):
        try:
            return self.to_json(indent=2)
        except Exception:
            return f"<{self.__class__.__name__} (unserializable)>"

    @abstractmethod
    def validate(self) -> None:
        """継承クラスで必ず定義させるバリデーション用メソッド"""
        raise NotImplementedError

実行例1：基本的なネストと除外属性付き

class User(Serializable):
    _exclude_fields_ = {"password"}

    def __init__(self, name, age, password):
        self.name = name
        self.age = age
        self.password = password
        self._internal_id = "hidden"

    def validate(self):
        if not self.name:
            raise ValueError("Name is required")

実行結果1

u = User("Alice", 30, "secret123")
print(u.to_dict())
# 出力例:
# {'name': 'Alice', 'age': 30}

print(u.to_dict(include_private=True))
# 出力例（非公開属性あり）:
# {'name': 'Alice', 'age': 30, '_internal_id': 'hidden'}

実行例2：ネスト + 循環参照の検出

class Post(Serializable):
    def __init__(self, title, author=None):
        self.title = title
        self.author = author

    def validate(self): pass


user = User("Bob", 25, "xxx")
post = Post("Hello", user)
user.post = post  # 循環参照を形成

print(user.to_dict())
# 出力例（循環参照が __circular__ になる）:
# {'name': 'Bob', 'age': 25, 'post': {'title': 'Hello', 'author': '__circular__'}}

■ 文法・構文まとめ

文法・構文	用途・意味
abc.ABC, @abstractmethod	継承クラスで必須メソッド (validate) を強制
__dict__	オブジェクトの内部属性を辞書として動的に取得
json.dumps	PythonオブジェクトをJSON文字列に変換
hasattr, callable	属性の有無確認・関数属性の除外
super()	抽象クラスの継承構文での利用
@property	クラス設計時の属性制御（今回はオプション）
try/except	辞書化やシリアライズ失敗に対する安全なハンドリング
id(self) と set()	循環参照のトラッキングに使うIDセット
isinstance()	型チェックで再帰呼び出しを適用する際に使用
__repr__	print時の出力を JSON にカスタマイズ
setattr, クラス属性	除外属性の継承的制御 (_exclude_fields_)

Q.59

項目	内容
概要	四則演算式を構文木で表現する演算ノードクラス群を定義せよ。各ノードは evaluate() によって数値に評価でき、文字列化（__str__）で中置記法として出力される。
問題文	演算式を木構造で表現するために、以下の仕様を満たすクラス階層を設計せよ： 1. Expression という抽象基底クラスを定義し、evaluate() メソッドを抽象化する。 2. Value クラスは単一の数値（float/int）を保持し、それを評価結果として返す。 3. BinaryOperation 抽象クラスは左右の Expression を持ち、評価時にそれらを評価して計算を行う。 4. Add, Sub, Mul, Div などの具体的な演算クラスを実装する。 5. 各クラスは __str__() をオーバーライドし、中置記法の文字列（例：(3 + 4)）を返すようにする。 6. Expression は __add__, __sub__, __mul__, __truediv__ を定義し、構文木の合成をオペレータで行えるようにする。 7. from_nested_tuple(cls, expr) を実装し、再帰的に (op, left, right) の形のタプルから構文木を構成可能にする。 8. DivisionByZeroError を定義し、ゼロ除算に対して適切な例外処理を行うこと。 9. __repr__ は __str__ をそのまま返す形で統一的に記述する。 10. 計算結果は float で統一されるものとする。
使用構文	abc.ABC, @abstractmethod, @classmethod, __add__, __mul__, __truediv__, __repr__, __str__, isinstance, super(), try/except, 再帰構文, クラス継承構造
発展仕様	- クロージャ的に from_nested_tuple() で構文木を再帰的に構成可能にする - Expression 自体が演算子オーバーロードを持つことで演算式の合成が直感的に行える - 各演算ノードは再帰的な文字列変換と評価に対応
例外設計	- ゼロ除算時に DivisionByZeroError を発生させる - タプル→構文木変換時に不正な形式があれば ValueError を発生させる

A.59

■ 模範解答

from abc import ABC, abstractmethod

# カスタム例外：ゼロ除算用
class DivisionByZeroError(ZeroDivisionError):
    pass


# 抽象基底クラス：すべての式のベース
class Expression(ABC):
    @abstractmethod
    def evaluate(self) -> float:
        pass

    def __add__(self, other):
        return Add(self, other)

    def __sub__(self, other):
        return Sub(self, other)

    def __mul__(self, other):
        return Mul(self, other)

    def __truediv__(self, other):
        return Div(self, other)

    def __repr__(self):
        return str(self)


# 数値ノード：リーフノード
class Value(Expression):
    def __init__(self, value: float):
        self.value = float(value)  # floatで統一

    def evaluate(self) -> float:
        return self.value

    def __str__(self):
        return str(self.value)


# 演算ノード：共通の2項演算をまとめた抽象クラス
class BinaryOperation(Expression):
    def __init__(self, left: Expression, right: Expression):
        self.left = left
        self.right = right

    @abstractmethod
    def operator_symbol(self) -> str:
        pass

    @abstractmethod
    def operate(self, left_val: float, right_val: float) -> float:
        pass

    def evaluate(self) -> float:
        left_val = self.left.evaluate()
        right_val = self.right.evaluate()
        try:
            return self.operate(left_val, right_val)
        except ZeroDivisionError:
            raise DivisionByZeroError("Attempted division by zero.")

    def __str__(self):
        return f"({self.left} {self.operator_symbol()} {self.right})"


# 各演算子の具象クラス定義
class Add(BinaryOperation):
    def operator_symbol(self) -> str:
        return "+"

    def operate(self, left_val, right_val):
        return left_val + right_val


class Sub(BinaryOperation):
    def operator_symbol(self) -> str:
        return "-"

    def operate(self, left_val, right_val):
        return left_val - right_val


class Mul(BinaryOperation):
    def operator_symbol(self) -> str:
        return "*"

    def operate(self, left_val, right_val):
        return left_val * right_val


class Div(BinaryOperation):
    def operator_symbol(self) -> str:
        return "/"

    def operate(self, left_val, right_val):
        if right_val == 0:
            raise DivisionByZeroError("Division by zero.")
        return left_val / right_val


# タプルから構文木を再帰構築するクラスメソッド
class ExpressionBuilder:
    operator_map = {
        '+': Add,
        '-': Sub,
        '*': Mul,
        '/': Div,
    }

    @classmethod
    def from_nested_tuple(cls, expr) -> Expression:
        if isinstance(expr, (int, float)):
            return Value(expr)
        if isinstance(expr, tuple) and len(expr) == 3:
            op, left, right = expr
            if op not in cls.operator_map:
                raise ValueError(f"Unknown operator: {op}")
            return cls.operator_map[op](
                cls.from_nested_tuple(left),
                cls.from_nested_tuple(right)
            )
        raise ValueError(f"Invalid expression format: {expr}")

実行例1：式の合成・評価・表示

expr = Value(3) + Value(4) * Value(2)
print(expr)            # => (3.0 + (4.0 * 2.0))
print(expr.evaluate()) # => 11.0

実行例2：タプルから構文木を構築 → ゼロ除算例外処理

expr2 = ExpressionBuilder.from_nested_tuple(('/', 10, ('-', 5, 5)))
print(expr2)  # => (10.0 / (5.0 - 5.0))
try:
    print(expr2.evaluate())
except DivisionByZeroError as e:
    print(f"Error: {e}")  # => Error: Attempted division by zero.

■ 文法・構文まとめ

要素	解説
abc.ABC, @abstractmethod	式全体を抽象階層で統一し、各クラスの責務を明確化
__add__, __sub__ 等	演算子オーバーロードにより expr1 + expr2 のような直感的構文を可能に
__str__, __repr__	再帰的に中置記法表現を生成し、printでも構文木が人間に読みやすく表現される
@classmethod + 再帰構文	(op, left, right) のネスト構造からツリー構築を自動化し、クロージャ的な動的構成を可能に
try/except, カスタム例外	安全な演算と堅牢なゼロ除算処理
クラス継承による演算種別分離	1つのクラスにまとめず、各演算ごとに継承クラスを用意することで OCP（開放/閉鎖原則）に準拠

Q.60

項目	内容
概要	任意のオブジェクトをラップし、すべてのメソッド呼び出し・属性アクセス・例外を自動でログ記録する監査用プロキシ AuditProxy を設計せよ。
問題文	AuditProxy クラスを設計せよ。このクラスは任意のオブジェクトをラップし、以下を満たす： 1. オブジェクトの属性アクセス／更新をすべて __getattr__, __setattr__ で監視し、ログに記録する。 2. ラップ対象が callable な場合、__call__ を通じて呼び出し可能とし、ログ・例外も記録する。 3. メソッド呼び出しも監視可能とする。@wraps を活用して透明性を保持せよ。 4. logging モジュールを用いて、操作内容・引数・例外を INFO/ERROR レベルで記録する。 5. プロキシ自身の内部属性（例：ログ設定、ターゲット参照など）は対象外とするために注意深く設計せよ（無限再帰防止）。 6. 任意の関数またはオブジェクト（関数オブジェクト、クラスインスタンスなど）に対応すること。 7. __repr__ によって、監査対象の型情報と操作対象の概要を出力可能にすること。 8. ラップ対象の型が __call__ を持たない場合に __call__ を無効化する設計も検討せよ。
使用構文	__getattr__, __setattr__, __call__, functools.wraps, logging, try/except, isinstance, callable, type, デリゲーション、内部属性保護
発展仕様	- AuditProxy 自身が callable をラップした場合のみ __call__ を有効化（TypeError ガード含む） - 内部属性は _proxy_ で始めることで保護 - ログ記録は logger 名を指定可能にして柔軟性を向上
例外設計	- 呼び出し・アクセス時の例外はすべて捕捉し、エラー内容をログ出力した上で再送出する

A.60

■ 模範解答

import logging
from functools import wraps


class AuditProxy:
    def __init__(self, target, logger_name="AuditProxy"):
        # 内部用の属性は _proxy_ で始めて __getattr__ や __setattr__ の無限再帰を防ぐ
        object.__setattr__(self, "_proxy_target", target)
        object.__setattr__(self, "_proxy_logger", logging.getLogger(logger_name))

    def __getattr__(self, name):
        target = object.__getattribute__(self, "_proxy_target")
        logger = object.__getattribute__(self, "_proxy_logger")

        try:
            attr = getattr(target, name)  # ラップ対象から属性取得
            logger.info(f"GETATTR: {name} -> {type(attr)}")

            if callable(attr):
                # 関数・メソッドをさらにラップしてログ記録機能を注入
                @wraps(attr)
                def wrapped(*args, **kwargs):
                    logger.info(f"CALL METHOD: {name}({args}, {kwargs})")
                    try:
                        result = attr(*args, **kwargs)
                        logger.info(f"RESULT: {name} -> {result}")
                        return result
                    except Exception as e:
                        logger.error(f"EXCEPTION in method '{name}': {e}")
                        raise
                return wrapped
            else:
                return attr
        except AttributeError as e:
            logger.error(f"GETATTR FAILED: {name} - {e}")
            raise

    def __setattr__(self, name, value):
        if name.startswith("_proxy_"):
            # プロキシ内部属性はそのまま代入
            object.__setattr__(self, name, value)
        else:
            logger = object.__getattribute__(self, "_proxy_logger")
            logger.info(f"SETATTR: {name} = {value}")
            setattr(object.__getattribute__(self, "_proxy_target"), name, value)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        target = object.__getattribute__(self, "_proxy_target")
        logger = object.__getattribute__(self, "_proxy_logger")

        if not callable(target):
            raise TypeError(f"Target object of type {type(target).__name__} is not callable")

        logger.info(f"CALL: {target}({args}, {kwargs})")
        try:
            result = target(*args, **kwargs)
            logger.info(f"RESULT: {result}")
            return result
        except Exception as e:
            logger.error(f"EXCEPTION in __call__: {e}")
            raise

    def __repr__(self):
        target = object.__getattribute__(self, "_proxy_target")
        return f"<AuditProxy of {type(target).__name__}>"

実行例1：クラスの監査

import logging

# ログ出力設定
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format="%(message)s")

# 対象クラス
class Calculator:
    def __init__(self):
        self.history = []

    def add(self, x, y):
        result = x + y
        self.history.append(result)
        return result

calc = Calculator()
proxy = AuditProxy(calc)

# メソッド呼び出しと属性アクセス
print(proxy.add(3, 5))        # => 8
print(proxy.history)          # => [8]
proxy.history = []            # 属性更新もログ対象

実行結果1

GETATTR: add -> <class 'method'>
CALL METHOD: add((3, 5), {})
RESULT: add -> 8
GETATTR: history -> <class 'list'>
SETATTR: history = []

実行例2：関数オブジェクトのラップ

def greet(name):
    return f"Hello, {name}!"

proxy_func = AuditProxy(greet)

print(proxy_func("Alice"))  # => "Hello, Alice!"

実行結果1

CALL: <function greet at 0x...>(('Alice',), {})
RESULT: Hello, Alice!

■ 文法・構文まとめ

文法・構文	説明
__getattr__	属性アクセスの補足。存在しない属性アクセスをキャッチし、ラップ＋ログ処理を行う。
__setattr__	属性代入の補足。監査対象の属性更新をログ記録し、デリゲーションを行う。
__call__	callable なオブジェクトの呼び出しを監視・ログ記録する。
@wraps（functools）	ラップした関数に元の関数の名前や docstring を保持させ、透明性を確保。
logging	操作ログを INFO/ERROR レベルで出力する標準モジュール。
try/except	呼び出し時の例外をログ記録し、必要に応じて再送出する。
isinstance, callable	関数かどうかの判定・柔軟なオブジェクトハンドリングに使用。
委譲（デリゲーション）	操作自体は元のオブジェクトに転送し、Proxyは監査に専念する。
内部属性保護	_proxy_ プレフィックスで無限再帰回避、Proxyの自己保存属性と区別。

Q.61

項目	内容
概要	辞書同士の合成・差分比較・履歴記録・バージョン管理を備えた MergeableDict クラスを設計せよ。合成は + 演算子で行い、履歴は自動で記録される。
問題文	MergeableDict クラスを定義せよ。このクラスは dict を拡張し、以下の高度な機能を提供すること： 1. + 演算子で他の辞書（または MergeableDict）と合成可能であり、キーが競合した場合は右辺の値で上書きされる。 2. 合成のたびに履歴（操作時刻・操作種別・差分情報）を自動で記録する。 3. == による比較は通常の辞書のように動作するが、差分情報（追加/更新/削除キー）も取得可能とする。 4. version(n) により過去バージョンを復元可能にする（ただし shallow copy でよい）。 5. merge_log プロパティで履歴を参照できるようにし、各項目にタイムスタンプ・差分が含まれる。 6. setdefault, update, __getitem__ などの辞書標準機能を維持しつつ、履歴記録に対応させる。 7. copy() で内容と履歴を独立して複製可能にする。 8. 不正な合成相手（辞書以外）に対しては例外を投げること。
使用構文	__add__, __eq__, __getitem__, update, setdefault, copy, datetime, deepcopy, @property, dict.items(), 差分計算ロジック、例外設計
発展仕様	- merge_log にタイムスタンプ、変更点、旧値・新値を記録 - version(n) によるバージョン復元（イミュータブル化はしなくてよい） - 差分比較関数 diff(other) 実装
例外設計	- + に非辞書を渡した場合 TypeError を発生 - バージョン番号が範囲外の場合 IndexError を発生

A.61

■ 模範解答

from datetime import datetime
from copy import deepcopy

class MergeableDict(dict):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        super().__init__(*args, **kwargs)
        self._versions = [deepcopy(dict(self))]  # バージョン履歴: 初期状態を保存
        self._log = []  # マージ履歴: 各操作の差分・時刻を記録

    def __add__(self, other):
        if not isinstance(other, dict):
            raise TypeError("Only dictionaries can be merged with MergeableDict.")
        
        new = MergeableDict(self)
        diff = {}

        for key, val in other.items():
            if key not in new or new[key] != val:
                diff[key] = (new.get(key), val)
                new[key] = val

        new._versions = deepcopy(self._versions + [deepcopy(dict(new))])
        new._log = deepcopy(self._log + [{
            "timestamp": datetime.now(),
            "operation": "merge",
            "diff": diff
        }])

        return new

    def __eq__(self, other):
        if not isinstance(other, dict):
            return False
        return dict(self) == dict(other)

    def diff(self, other):
        if not isinstance(other, dict):
            raise TypeError("Can only compare with another dictionary.")

        added = {k: other[k] for k in other if k not in self}
        removed = {k: self[k] for k in self if k not in other}
        changed = {k: (self[k], other[k]) for k in self if k in other and self[k] != other[k]}
        return {"added": added, "removed": removed, "changed": changed}

    def version(self, n: int):
        if not (0 <= n < len(self._versions)):
            raise IndexError(f"Version index {n} out of range")
        return MergeableDict(self._versions[n])

    @property
    def merge_log(self):
        return self._log

    def update(self, *args, **kwargs):
        other = dict(*args, **kwargs)
        diff = {}
        for k, v in other.items():
            if k not in self or self[k] != v:
                diff[k] = (self.get(k), v)
        super().update(other)
        self._versions.append(deepcopy(dict(self)))
        self._log.append({
            "timestamp": datetime.now(),
            "operation": "update",
            "diff": diff
        })

    def setdefault(self, key, default=None):
        if key not in self:
            self._log.append({
                "timestamp": datetime.now(),
                "operation": "setdefault",
                "diff": {key: (None, default)}
            })
            self._versions.append(deepcopy(dict(self)))
        return super().setdefault(key, default)

    def copy(self):
        new = MergeableDict(self)
        new._versions = deepcopy(self._versions)
        new._log = deepcopy(self._log)
        return new

    def __getitem__(self, key):
        try:
            return super().__getitem__(key)
        except KeyError as e:
            raise KeyError(f"Key '{key}' not found in MergeableDict") from e

    def __repr__(self):
        return f"MergeableDict({super().__repr__()})"

実行例1：基本的な合成とバージョン確認

d1 = MergeableDict({'a': 1, 'b': 2})
d2 = {'b': 3, 'c': 4}

d3 = d1 + d2
print(d3)  # => MergeableDict({'a': 1, 'b': 3, 'c': 4})

print(d3.merge_log)
# => [{'timestamp': ..., 'operation': 'merge', 'diff': {'b': (2, 3), 'c': (None, 4)}}]

print(d3.version(0))  # => MergeableDict({'a': 1, 'b': 2})

実行例2：update・setdefault の監査と diff

d = MergeableDict({'x': 10})
d.update({'y': 20})
d.setdefault('z', 99)

print(d)  # => MergeableDict({'x': 10, 'y': 20, 'z': 99})
print(d.merge_log[-2]['operation'])  # => 'update'
print(d.merge_log[-1]['operation'])  # => 'setdefault'

d2 = {'x': 10, 'y': 21, 'a': 1}
print(d.diff(d2))
# => {'added': {'a': 1}, 'removed': {'z': 99}, 'changed': {'y': (20, 21)}}

■ 文法・構文まとめ

構文／技法	説明
__add__	他の辞書との合成をサポートし、履歴を記録。
__eq__	通常の辞書比較に加えて、差分も取得可能に設計（diff()）。
update, setdefault	辞書APIを拡張して操作履歴も残す。
deepcopy, version()	過去の状態を復元できるようバージョン管理（履歴付き shallow copy）。
datetime.now()	操作タイムスタンプ記録。
@property	merge_log を読み取り専用のプロパティとして提供。
__getitem__	標準辞書操作と同様だが、詳細なエラーメッセージを追加。
copy()	オブジェクトと履歴を完全に複製可能に設計。
例外処理	TypeError（不正な合成）、IndexError（バージョン番号不正）、KeyError に対応。

Q.62

項目	内容
概要	MergeableDict クラスを定義せよ。このクラスは辞書のように動作しつつ、合成（+）、差分比較、更新履歴保持、バージョン復元、構造比較など高度な辞書拡張を提供する。
問題文	MergeableDict クラスは以下の要件を満たす必要がある： 1. + 演算子で dict または MergeableDict と合成でき、競合時は右辺優先で上書きされる。 2. 合成時には差分（新規追加・変更）を記録し、履歴（操作名・タイムスタンプ・差分）に残す。 3. diff(other) メソッドにより他辞書との構造差分（追加・削除・変更）を取得できる。 4. version(n) メソッドにより過去の状態を MergeableDict として復元できる。 5. merge_log プロパティは履歴リストを返す（読み取り専用）。 6. update() / setdefault() も履歴に記録される。 7. copy() により値と履歴を複製可能である。 8. __getitem__ はキーが存在しないとき例外を投げるが、詳細な情報を与える。 9. __eq__ は dict 互換比較が可能で、比較対象が不適切なら False を返す。 10. 合成対象が辞書でない場合は TypeError を発生させ、version(n) の範囲外アクセスでは IndexError を投げる。
使用構文	__add__, __eq__, __getitem__, update, setdefault, copy, datetime, deepcopy, @property, 差分取得、履歴構造化、例外制御
発展仕様	- ログ項目に timestamp, operation, diff, snapshot（状態）を含める。 - __repr__ は内容＋バージョン番号付きで出力。 - 内部状態は _md_ 接頭辞で保護

A.62

■ 模範解答

from datetime import datetime
from copy import deepcopy


class MergeableDict(dict):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        # 通常の辞書初期化
        super().__init__(*args, **kwargs)
        # 履歴（マージログ）と状態バージョンを保持
        self._md_versions = [deepcopy(dict(self))]  # 初期バージョン
        self._md_log = []  # 操作履歴ログ

    def __add__(self, other):
        if not isinstance(other, dict):
            raise TypeError("MergeableDict can only be added to dict-like objects")

        new_dict = MergeableDict(self)
        diff = {}

        for k, v in other.items():
            # 差分計算：新規 or 値が変化した場合のみ記録
            if k not in new_dict or new_dict[k] != v:
                diff[k] = (new_dict.get(k), v)
                new_dict[k] = v

        new_dict._md_versions = deepcopy(self._md_versions + [deepcopy(dict(new_dict))])
        new_dict._md_log = deepcopy(self._md_log + [{
            "timestamp": datetime.now(),
            "operation": "merge",
            "diff": diff,
            "snapshot": dict(new_dict)
        }])
        return new_dict

    def update(self, *args, **kwargs):
        update_dict = dict(*args, **kwargs)
        diff = {}
        for k, v in update_dict.items():
            if k not in self or self[k] != v:
                diff[k] = (self.get(k), v)
        super().update(update_dict)
        self._md_versions.append(deepcopy(dict(self)))
        self._md_log.append({
            "timestamp": datetime.now(),
            "operation": "update",
            "diff": diff,
            "snapshot": dict(self)
        })

    def setdefault(self, key, default=None):
        if key not in self:
            self._md_log.append({
                "timestamp": datetime.now(),
                "operation": "setdefault",
                "diff": {key: (None, default)},
                "snapshot": dict(self)
            })
            self._md_versions.append(deepcopy(dict(self)))
        return super().setdefault(key, default)

    def __getitem__(self, key):
        try:
            return super().__getitem__(key)
        except KeyError as e:
            raise KeyError(f"Key '{key}' not found in MergeableDict (keys: {list(self.keys())})") from e

    def __eq__(self, other):
        if not isinstance(other, dict):
            return False
        return dict(self) == dict(other)

    def diff(self, other):
        if not isinstance(other, dict):
            raise TypeError("diff() comparison target must be dict-like")
        added = {k: other[k] for k in other if k not in self}
        removed = {k: self[k] for k in self if k not in other}
        changed = {k: (self[k], other[k]) for k in self if k in other and self[k] != other[k]}
        return {"added": added, "removed": removed, "changed": changed}

    def version(self, n: int):
        if not (0 <= n < len(self._md_versions)):
            raise IndexError(f"Version index {n} out of range (0–{len(self._md_versions)-1})")
        return MergeableDict(self._md_versions[n])

    def copy(self):
        new = MergeableDict(self)
        new._md_versions = deepcopy(self._md_versions)
        new._md_log = deepcopy(self._md_log)
        return new

    @property
    def merge_log(self):
        return deepcopy(self._md_log)

    def __repr__(self):
        return f"MergeableDict({super().__repr__()}, version={len(self._md_versions)-1})"

実行例1：合成とバージョン管理

d1 = MergeableDict({'x': 1, 'y': 2})
d2 = {'y': 3, 'z': 9}
d3 = d1 + d2

print(d3)  # => MergeableDict({'x': 1, 'y': 3, 'z': 9}, version=1)
print(d3.version(0))  # => MergeableDict({'x': 1, 'y': 2}, version=0)
print(d3.merge_log)

実行結果1

[{
    'timestamp': ..., 
    'operation': 'merge',
    'diff': {'y': (2, 3), 'z': (None, 9)}, 
    'snapshot': {'x': 1, 'y': 3, 'z': 9}
}]

実行例2：update・setdefault の監査と diff

d = MergeableDict({'x': 10})
d.update({'y': 20})
d.setdefault('z', 99)

print(d)  # => MergeableDict({'x': 10, 'y': 20, 'z': 99})
print(d.merge_log[-2]['operation'])  # => 'update'
print(d.merge_log[-1]['operation'])  # => 'setdefault'

d2 = {'x': 10, 'y': 21, 'a': 1}
print(d.diff(d2))
# => {'added': {'a': 1}, 'removed': {'z': 99}, 'changed': {'y': (20, 21)}}

実行結果2

{
    'added': {'d': 5},
    'removed': {'c': 30},
    'changed': {'b': (20, 21)}
}

■ 文法・構文まとめ

使用構文	解説
__add__	+ による辞書合成と履歴追加（immutable風）
__eq__	dict 同士の等価比較（型が異なれば False）
__getitem__	詳細なエラー出力付きアクセス
update, setdefault	内部操作として変更差分記録・バージョン追加
deepcopy, copy()	バージョンと履歴の独立複製
diff()	差分計算（追加・削除・変更キー）
@property	merge_log を外部読み取り専用にする
datetime.now()	ログタイムスタンプ
IndexError, TypeError	明示的な例外設計（不正バージョン番号や型の検査）

Q.63

項目	内容
概要	Command パターンを用いて、コマンドオブジェクトを定義せよ。各コマンドは execute() と undo() を持ち、コマンド履歴のスタックにより、連続操作／取り消し／再実行が可能な環境を構成する。
問題文	以下の仕様に従って、汎用的な「実行・取り消し機能付きコマンド管理システム」を構築せよ： 1. Command 抽象基底クラスを定義し、execute()・undo() を必ず実装させる。 2. コマンドは __call__ により呼び出し可能であること（__call__ → execute()） 3. コマンド実行履歴は deque に記録され、undo() は LIFO 方式で履歴から最後のコマンドを取り出して逆操作を行う。 4. 任意の対象（数値・オブジェクト・コレクションなど）に対して状態変更する SetValueCommand や AppendItemCommand などを定義せよ。 5. Undo 不可なコマンドは NotUndoableError を明示的に投げること。 6. CommandManager クラスを設計し、コマンドの実行・履歴管理・undo 操作の一元管理を行う。 7. execute_all(), undo_all() などのバッチ操作機能も備える。 8. 各操作のログを保持可能とし、ログ表示機能 show_history() を提供せよ。
使用構文	abc.ABC, @abstractmethod, __call__, deque, append, pop, undo, @property, isinstance, super(), TypeError, 例外制御、Command パターン
発展仕様	- コマンドの一括実行と一括ロールバックに対応 - Command オブジェクトは str 表現で操作ログ用の概要を持つ（__str__ 実装） - 状態変更は「外部 mutable オブジェクト」への操作を前提とする
例外設計	- NotUndoableError を独自実装し、undo 未対応コマンドではこの例外を raise - undo() 呼び出し時に履歴が空なら IndexError を raise

A.63

■ 模範解答

from abc import ABC, abstractmethod
from collections import deque


# Undo 未対応コマンドの例外
class NotUndoableError(Exception):
    pass


# コマンド基底クラス
class Command(ABC):
    @abstractmethod
    def execute(self):
        pass

    @abstractmethod
    def undo(self):
        pass

    def __call__(self):
        return self.execute()

    @abstractmethod
    def __str__(self):
        pass


# 対象オブジェクトの属性値を設定するコマンド
class SetValueCommand(Command):
    def __init__(self, target, attr, value):
        self.target = target
        self.attr = attr
        self.value = value
        self._previous = None

    def execute(self):
        # 変更前の値を記録しておく
        self._previous = getattr(self.target, self.attr, None)
        setattr(self.target, self.attr, self.value)

    def undo(self):
        # 取り消し時に以前の値へ戻す
        setattr(self.target, self.attr, self._previous)

    def __str__(self):
        return f"Set {self.attr} = {self.value}"


# リストにアイテムを追加するコマンド
class AppendItemCommand(Command):
    def __init__(self, target_list, item):
        self.list = target_list
        self.item = item

    def execute(self):
        self.list.append(self.item)

    def undo(self):
        if self.list and self.list[-1] == self.item:
            self.list.pop()
        else:
            raise NotUndoableError("Cannot undo: item not at the end.")

    def __str__(self):
        return f"Append {self.item}"


# Undo 不可なコマンドの例
class PrintCommand(Command):
    def __init__(self, message):
        self.message = message

    def execute(self):
        print(self.message)

    def undo(self):
        raise NotUndoableError("PrintCommand cannot be undone.")

    def __str__(self):
        return f"Print '{self.message}'"


# コマンド履歴・実行管理クラス
class CommandManager:
    def __init__(self):
        self._history = deque()  # コマンド履歴を保持

    def do(self, command: Command):
        command()
        self._history.append(command)

    def undo(self):
        if not self._history:
            raise IndexError("No command to undo.")
        command = self._history.pop()
        try:
            command.undo()
        except NotUndoableError as e:
            print(f"[UNDO ERROR] {e}")

    def execute_all(self, commands):
        for cmd in commands:
            self.do(cmd)

    def undo_all(self):
        while self._history:
            self.undo()

    def show_history(self):
        print("Command History:")
        for i, cmd in enumerate(self._history):
            print(f"{i + 1}: {cmd}")

実行例1：属性変更と取り消し

class Dummy:
    def __init__(self):
        self.value = 0

obj = Dummy()
manager = CommandManager()

# コマンド作成と実行
cmd1 = SetValueCommand(obj, 'value', 42)
manager.do(cmd1)
print(obj.value)  # => 42

manager.undo()
print(obj.value)  # => 0

実行例2：リスト追加と PrintCommand

log = []
manager = CommandManager()

cmds = [
    AppendItemCommand(log, "start"),
    PrintCommand("This is a side effect"),
    AppendItemCommand(log, "end"),
]

manager.execute_all(cmds)
print(log)  # => ['start', 'end']

manager.undo_all()
print(log)  # => []
manager.show_history()  # => PrintCommand は undo に失敗し履歴から除去されない

■ 文法・構文まとめ

使用構文	説明
abc.ABC, @abstractmethod	コマンドのインターフェース定義により共通仕様を強制
__call__	コマンドオブジェクトを関数のように呼び出せる（command() 形式）
deque, append, pop	スタック構造でコマンド履歴を管理（LIFO）
NotUndoableError	取り消し不可なコマンドを明示的に扱う
execute_all, undo_all	複数コマンドの一括実行・一括取り消し
__str__, show_history	ログ表示を人間にわかりやすく構成
try/except	Undo失敗を安全に扱い、実行を継続可能にする
状態保存	SetValueCommand は以前の状態を _previous に保存して戻せる