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Cognitive Complexity で、コードの読みやすさを定量的に計測しよう

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自分のプロジェクトで Code Climate を使ってみた時の話をします。

Code Climate とは?

  • コードの品質とかを測れるサービス
  • OSS なら無料で利用可能

使ってみた結果

私のコードに対して、下記のような指摘が来ました。
image.png

Function toCommandSections has 29 lines of code (exceeds 25 allowed).
(toCommandSectionsメソッドが29行あるから、25行以下にしてくれ)
About 1 hr to fix
(1時間あれば直せる)

こちらは分かりやすい指摘です。
ただ"1時間で直せる"とは誰がどういう見解で言っているのか納得行きません。

Function read has a Cognitive Complexity of 8 (exceeds 5 allowed).
(readメソッドの Cognitive Complexity が8だから、5以下にしてくれ)
About 45 mins to fix
(45分で直せる)

**Cognitive Complexity...?**一体なにを指摘されているのか分かりません。
しかも About 45 mins to fix と来ました。一体誰が?

Cognitive Complexity とは何か?

「コグニティブ・コンプレクシティー」、訳してみれば「認知的複雑度」でしょうか。
コードの複雑さを測る指標のひとつのようです。

ググると心理的の記事が多くヒットしますが、同名の用語と関係は無いようです。

「Cyclomatic Complexity」と「Cognitive Complexity」

Cognitive Complexity と似たものに**「Cyclomatic Complexity(サイクロマティック・コンプレクシティー、循環的複雑度)」**があります。こちらの方が一般によく知られていると思います。

Cyclomatic Complexity は以前から提唱されていましたが、その問題点を改善するための指標として Cognitive Complexity が考え出された、とのこと。

違いをまとめると、下記のような感じです。

Cyclomatic Complexity Cognitive Complexity
サイクロマティック・コンプレクシティー コグニティブ・コンプレクシティー
循環的複雑度 認知的複雑度
1976年 Thomas J. McCabe 氏が考案1 2016年 SonarSource 社が考案2
機械的なテストの難しさを測る 人間の理解の難しさを測る

Cyclomatic Complexity と Cognitive Complexity の違いの例

たとえば下記2つのコードの、どちらが"複雑"だと思いますか?

typescript
// method1: switch文
function method1(n: number) {
  switch (n) {
    case 1:
      console.log("ichi");
      break;
    case 2:
      console.log("ni");
      break;
    case 3:
      console.log("san");
      break;
    default:
      console.log("ippai");
      break;
  }
}
typescript
// method2: ふたつの for 文のネスト
function method2(max: number) {
  let total = 0;
  labelA:
  for (let i = 1; i <= max; i++) {
    for (let j = 2; j < i; j++) {
      if (i % j == 0) {
        continue labelA;
      }
    }
    total += 1;
  }

  return total;
}

「どちらが複雑か?」と言われれば、「前者の switch 文よりも、 後者の for と if のネストのほうが複雑」のように見えます。

しかし、Cyclomatic Complexity と Cognitive Complexity をそれぞれ算出すると、下記のようになります。

method 内容 Cyclomatic Complexity Cognitive Complexity
method1 switch文ひとつ 4 1
method2 forとifのネスト 4 7

Cyclomatic Complexity は両方とも 4 で同値、つまりふたつのメソッドの複雑度は同じ、となりました。
一方 Cognitive Complexity は、前者は 1 、後者は 7 と明らかな差が付きました。 switch 文のほうが単純であるという事が、定量的に示されました

switch 文ひとつであっても分岐網羅テストケースは 4 パターン必要になるため、 Cyclomatic complexity は 4 になります。しかしヒトが理解するには Switch 文のほうが明らかに単純ですので、 Cognitive Complexity の方は小さい値をとります。

Cognitive Complexity の実際の測り方

Cognitive Complexity は、基本的に下記3つのシンプルな法則に伴って算出されます。

コードの線形的な流れを乱すとき、複雑とみなす

Code is considered more complex for each "break in the linear flow of the code"

なにもないメソッドは、複雑度ゼロです。

typescript
// Cognitive Complexity: 0
function method1() {
}

そこに if 文や 例外の catch のように、"コードの線形的な流れを乱す要素"が加わると、+1 されます

typescript
// Cognitive Complexity: 1
function method2() {
  if (true) { // +1
  }
}
typescript
// Cognitive Complexity: 1
function method3() {
  try {
  } catch (e) { // +1
  }
}

組み合わせると、Complexity は増えていきます。

typescript
// Cognitive Complexity: 2
function method4() {
  try {
    if (true) { // +1
    }
  } catch (e) { // +1
  }
}

// Cognitive Complexity: 2
function method5() {
  if (true) { // +1
  } else {    // +1
  }
}

他にもループや switch 文、論理演算子やラベルジャンプ等が加わると、複雑度が加算されていきます。

流れを乱すネストが深いほど、複雑とみなす

Code is considered more complex when "flow breaking structures are nested"

ここからが面白いところです。
if などがネストされていると、ネストされたぶんだけ複雑度が加算されていきます。

たとえば下記のコード。

typescript
function method1() {
  if (true) {
    if (true) {
    }
  }
}

ひとつめの if は複雑度 +1 です。
しかしふたつめの if は、ひとつネストされた分が加算されて、複雑度 +2 となります。

つまり、合計の Cognitive Complexity は 1 + 2 = 3 になります。

typescript
// Cognitive Complexity: 3
function method1() {
  if (true) {   // +1
    if (true) { // +2 (= if +1, nest +1)
    }
  }
}

そのため下記ふたつのメソッドを比べたときに、前者の「ネストされた if 」の方が、後者の「ネストされていない if 」よりも複雑であると、定量的に判断されます。

typescript
// Cognitive Complexity: 3 こちらのほうが複雑
function method1() {
  if (true) {   // +1
    if (true) { // +2 (= if +1, nest +1)
    }
  }
}

// Cognitive Complexity: 2 こちらのほうが単純
function method2() {
  if (true) { // +1
  }
  if (true) { // +1
  }
}

ショートハンドを使って複数の文をひとつにまとめていれば、複雑さが高いとはみなされない

Code is not considered more complex when it uses shorthand that the language provides for collapsing multiple statements into one

たとえば下記のRubyコードは、 if 文と論理演算子 && がそれぞれ +1 加算され、複雑度は 2 になります。

ruby
# Cognitive Complexity: 2
def method1()
  if obj && obj.func?
    return true
  end

  false
end

ここで、Ruby の safe navigation(ぼっち演算子) &. 3 を使うと、論理演算子 && を減らすことができます。
このとき複雑度は 1 となります。

ruby
# Cognitive Complexity: 1
def method2()
  if obj&.obj.func?
    return true
  end

  false
end

ちなみに、当然下記のように if も無くしてしまえば複雑度はゼロです。

ruby
# Cognitive Complexity: 0
def method3()
  obj&.obj.func?
end

実際の指摘

冒頭に挙げた Code Climate で Cognitive Complexity を 8 から 5 にしろと指摘された例を見てみます。

typescript
// Cognitive Complexity: 8
function read(filepath: string, __: (key: string) => string): string {
  try {
    return fs.readFileSync(format(parse(filepath)), "utf8");
  } catch (e) {                                 // +1
    if (e instanceof Error) {                   // +2  (= if +1, nest +1)
      if (e.message.indexOf("ENOENT") === 0) {  // +3  (= if +1, nest +2)
        // tslint:disable-next-line:no-console
        console.log(__("FileNotFound"));
      } else {                                  // +1
        throw e;
      }
    } else {                                    // +1
      throw e;
    }
  }
 
  return "";
}

trycatchif で3重のネストになって複雑度が増えていた事がわかります。確かに読みづらいコードになっています。

Cognitive Complexity の使い方

ローカルで計測できるやつ作った

index.tsindex.rb を適当に編集して $ docker コマンドを打つと、Cognitive Complexity を算出します。Windows は非対応なので Linux 環境で使ってください。

$ docker-compose run --rm analyze
Starting analysis
Running structure: Done!

== index.js (3 issues) ==
2-3: Function `method0` has a Cognitive Complexity of 0 (exceeds -1 allowed). Consider refactoring. [structure]
7-12: Function `method1` has a Cognitive Complexity of 2 (exceeds -1 allowed). Consider refactoring. [structure]
16-21: Function `method2` has a Cognitive Complexity of 3 (exceeds -1 allowed). Consider refactoring. [structure]

やっていることは、CodeClimate CLIDocker イメージを持ってきて Cognitive Complexity だけ 許容値-1(ゼロ以上でアラート)で動かしているだけです。

まとめ

  • ネストを減らして、分岐を減らして、複雑度の低いコードを書こう
  • Cognitive Complexity を CI で測りたい?

注意事項: NGな使い方

  • 「お前のコード Cognitive Complexity 高すぎない?」と新人にコードレビューしてはいけません
    • 新人が死にます 4
  • 「俺なら45分で直せる」と新人にコードレビューしてはいけません
    • 新人が死にます 4

参考文献

  1. A Complexity Measure - Thomas J. McCabe

  2. COGNITIVE COMPLEXITY - A new way of measuring understandability - G. Ann Campbell

  3. NEWS for Ruby 2.3.0 (Ruby 2.6.0)

  4. 新人プログラマをレビューで殺さない方法 - Qiita 2

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