【11種言語ぬるぽ】なにも無いがある、Nullとの上手な付き合い方

プログラミングで登場する、Null（ヌル）, Nil（ニル）, None（ナン）といったキーワード。

なにも無い、設定されてない、無効である…そういった意味を持つ値です。

そんなNull、プログラミングではなかなか厄介な存在。ちょっと扱い間違えれば、プログラムがすぐに止まります。

近年のプログラミング言語には、問題をうまく回避する「Null安全（Null Safety）」の考えが広まってきました。言語側で、問題を起こさないような機構をいろいろサポートしてします。

ただ言語によって、その考え方や表現方法はバラエティ豊か。いろいろなプログラミング言語での対応方法を見てみましょう。

「Null安全」とはなにか

まずは、Nullの問題とはなにか、どういう考えで回避するのか、確認します。

Null問題のサンプルプログラム

簡単なサンプルプログラムです。言語はJava。

会員制クラブの管理システム。会員クラス”Member”に、住所を取得するgetAddressメソッドがあります。

class Member {
  public String getAddress() {
  ...
  }
}

会員リスト表示のため、住所を取得します。でも長すぎるので先頭５文字だけ取り出します。

...
String address = member.getAddress();
String displayAddress = address.substring(0, 5);
...

実行してみると…NullPointerExceptionエラーが発生しました。（ぬるぽ）

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException: Cannot invoke "String.substring(int, int)" ..

どうも、会員は住所を未登録にできるらしく、そのときはaddress=nullになるらしい。nullオブジェクトに対してsubstringを呼んだためにエラーになったのですね。

Nullオブジェクトに何かをしてエラーになる。よくある問題ですね。

古典的な対処方法

基本の対処は、nullかどうかをチェックして分岐する。

未登録の場合は”N/A” (Not Applicable) と表示することにして、見直します。

String address = member.getAddress();

String displayAddress;
if (address != null) {
  // アドレスがnullでなければ先頭５文字を設定
  displayAddress = address.substring(0, 5);
} else {
  // nullならN/Aを設定
  displayAddress = "N/A";
}

これで問題は解消します。特に困ることはありません。

けれど、以下のようなデメリットがあります。

プログラミング言語側からすると、Nullに対して防御する術がないのです。地雷地帯でも慎重に進めば大丈夫…といっているのと同じ。

これに対して「できる限りNullで失敗しないようにガードをかけよう」。これがNull安全の考え方です。

対処その１：「オプショナル型」で無効値を表す

まずは、Nullという、意味があるのかないのか分からない存在を、なんとかします。

オプショナル型を導入します。「無効である」ことを明確に表現できる型です。

オプショナル型で、有効か無効かを明確な手続きで判断したり、無効値に対するセーフティ機構を導入することができます。

class Member {
  public Optional<String> getAddress() {
    //...有効値の場合
    return Optional.of("tokyo,japan");
    //...無効値の場合
    return Optional.empty();
  }   
}

isPresent（有効か）などのメソッドを使うと、判断の意図が明確になります。

// オプショナル型
Optional<String> address = member.getAddress();

String displayAddress;
if (address.isPresent()) {
  // アドレスが有効なら先頭５文字を設定
  displayAddress = address.get().substring(0, 5);
} else {
  // 無効ならN/Aを設定
  displayAddress = "N/A";
}

System.out.println(displayAddress);

対策その２：「Null安全演算子」でNullアクセスを防御する

Nullでよく起こる問題が、Nullオブジェクトに誤ってアクセスしてしまうこと。

Null安全演算子で、Nullへの不用意なアクセスを防ぎます。

Javaなら、map演算子が使えます。

Optional<String> address = member.getAddress();
// アドレスの先頭５文字を取り出す
Optional<String> abbreviatedAddress = address.map(n -> n.substring(0, 5));

String displayAddress;
if (address.isPresent()) {
  displayAddress = abbreviatedAddress.get();
} else {
  displayAddress = "N/A";
}

mapは、このような動作を、mapがまとめて行います。

• addressが有効なら、substringを呼び出し、その結果が入ったOptional<String>を返す
• addressが無効なら、何もせずに無効のOptional<String>を返す

対策その３：「Null合体演算子」でNull判定を簡単に

Nullを扱うときの頻出パターンが、「Nullでなければそのままの値、Nullなら特別な値」にする。

これを簡潔に記述するのが、Null合体演算子です。

書き換えてみましょう。JavaのorElse演算子を使います。

Optional<String> address = member.getAddress();
Optional<String> abbreviatedAddress = address.map(n -> n.substring(0, 5));
String displayAddress = abbreviatedAddress.orElse("N/A");

orElseで、abbreviatedAddressが有効ならそのままの値、無効なら”N/A”が返ってくる、というわけです。

対策全部入りでシンプルに

この対策を全部入れると、シンプルかつ、Nullに対してガードが効いたコードにすることができます。

変更前はこう。

String address = member.getAddress();
String displayAddress;
if (address != null) {
  displayAddress = address.substring(0, 5);
} else {
  displayAddress = "N/A";
}

変更後はこうなります。

Optional<String> address = member.getAddress();
String displayAddress = member.getAddress().map(n -> n.substring(0, 5)).orElse("N/A");

とてもすっきりした記述になりますね。

言語ごとのNull安全対応

現在ではさまざまなプログラミング言語が、Null安全の考え方を取り入れています。

基本的な考えは似通っていますが、その表現方法はさまざまです。言語ごとに見ていきましょう。

C++

C++17から、オプショナル型としてstd::optionalが使えます。

optional型のvalue_orで、Null合体演算子の操作ができます。さらにC++23では、optional型にand_thenといった操作が実装されています。

std::optional<std::string> address = member.get_address();
std::string display_address = address.and_then(
  [&](std::string s) -> std::optional<std::string> {
    return s.substr(0, 5);
  }
).value_or("N/A");

呪文のようになっていますが、Nullに係わる処理が1stepで完了しているのが分かります。

Java

Javaでは、先ほどの紹介の通り、Optional型が使えます。

Optional<String> address = member.getAddress();
String displayAddress = member.getAddress().map(n -> n.substring(0, 5)).orElse("N/A");

Javaの弱点として、Optionla<T>型の変数にnullが代入できてしまう点があります。これはJavaという言語仕様的に防げないところ。注意しましょう。

C#

C#には、オプショナル型のような型定義がありません。

代わりに、オブジェクト型変数へのNull代入を許容しない、ということを、コンパイルオプションで指定することができます。

Nullable(Null許容)オプションをenableとして、コンパイルします。こうすると、通常オブジェクトにnullを代入するようなコードがあるとコンパイルエラーになります。これで不用意なNull代入を抑止できます。

String address = null;
// warning CS8600: Converting null literal or possible null value to non-nullable type.

型に？をつけると、Null許容参照型となり、Null代入可能となります。Null条件演算子(?.)およびNull合体演算子(??)も使えます。

String? address = member.GetAddress();
String displayAddress = address?.Substring(0, 5) ?? "N/A";

Python

Pythonは動的型付け言語なので、変数にどんな型でも格納できます。

ただ、指定できる型や返却型を記述できる、型ヒントの仕掛けが導入されています。型ヒントで、戻り値などの型を指定することが可能です。

ただしこれはあくまで可読性向上や静的チェックのため。実行時に異なる型で設定したとしても、エラーにはならないので注意です。

class Member:
    def get_address(self) -> str | None:
        return None

Noneに関する特別な演算子はありませんが、セイウチ演算子（:=）を使うと比較的シンプルに書けます。

セイウチ演算子(Walrus operator)の由来　:=を横向きにみるとセイウチに見えるから）

member = Member()
if (address := member.get_address()) is not None:
    display_naddress =  address[:5]
else:
    display_address = "N/A"

JavaScript/TypeScript

JavaScriptでは、Null安全演算子のような役割のオプショナルチェーン(?.)や、Null合体演算子(??)が使えます。

let address = member.address;
let displayAddress = address?.substring(0, 5) ?? "N/A";

さらに、型定義ができるTypeScriptでは、Nullable型が明示的に宣言できます。型チェックの厳密性や可読性が向上します。

let address : string | null = member.address;
let displayAddress: string = address?.substring(0, 5) ?? "N/A";

PHP

PHPでは、関数の引数や戻り値に、型を指定することができます。

このとき通常型ではnullが指定不可になり、null指定して実行するとエラーとなります。動的型付けが多いスクリプト型言語では珍しい仕様です。

class Member
{
  function getAddress(): string
  {
    return null;
    // Uncaught TypeError: Return value must be of type string, null returned in ..
  }
}

型の後ろに、？をつけると、Nullable型として定義できます。

<?php
class Member
{
  function getAddress(): ?string
  {
    return null;
  }
}
$member = new Member();
$address = $member->getAddress() ;
$displayAddress = $address ? substr($address, 0, 5) : 'N/A';
?>

Ruby

Rubyでは、セーフナビゲーション演算子(&.)が使えます。ぼっち演算子とも呼ばれます。

またOR演算子（||）は、nilをfalseと判定するので、Null合体の演算子として使えます。

display_address = member.get_address&.slice(0, 5) || "N/A"

nilガード演算子(||=)というものもあります。nilかどうか判定し、nilなら変数自身に代入しなおします（自己代入演算子とも言います）。他の言語では見かけない、Ruby特有の演算子です。

address = nil
address ||= "N/A"   # nilでなければそのまま、nilなら右辺代入

Kotlin

Kotlinでは、nullを代入可能とするか否か、を明確に定義することができます。

• null代入不可とするnull値非許容型
• nullを代入できるnull値許容型

null値非許容型にnullを代入しようとすると、コンパイルエラーになります。これでnullの不用意な使用を抑止できます。

var address: String = null
// null can not be a value of a non-null type String

null値許容型にするときは、型名の後に？を付与します。

var address: String? = null
// OK

null値許容型には、セーフコール演算子(?.)、エルビス演算子(?:)、が使えます。

class Member {
  var address: String? = null
  set(value) {
    field = value
  }
  get() {
    return field;
  }
}

var displayAddress = member.address?.substring(0, 5)  ?: "N/A";

エルビス演算子の由来　横向きにするとエルビス・プレスリーの顔になるから。？のでっぱりがリーゼントですね。

null値非許容型にこれらの演算子を使おうとすると、コンパイル時に警告で知らせてくれます。

class Member {
  var address: String = null
  ...
}

var displayAddress = member.address?.substring(0, 5)  ?: "N/A";
// warning: unnecessary safe call on a non-null receiver of type String
//  elvis operator (?:) always returns the left operand of non-nullable type String

Swift

Swiftは、通常の変数にはnilを代入できません。不用意なnilの使用を抑止しています。

let address : String = nil;
// 'nil' cannot initialize specified type 'String'
// add '?' to form the optional type 'String?'

nilを代入するには、オプショナル型で宣言する必要があります。型名の後に？を付与します。

let address : String? = nil;
// OK

??演算子や、オプショナルチェーン(?.)を使用することができます。

class Member {
  func getAddress() -> String? {
    return nil;
  }
}

let displayAddress = member.getAddress()?.prefix(5) ?? "N/A";

オプショナル型でない変数にこれらの演算子を使おうとすると、コンパイル時にエラーとなります。

class Member {
  func getAddress() -> String {
    return nil;
    // error: 'nil' is incompatible with return type 'String'
  }
}

let displayAddress = member.getAddress()?.prefix(5) ?? "N/A";
// error: cannot use optional chaining on non-optional value of type 'String'

Go

Goは、ほかの言語とは明らかに立ち位置が異なります。

Goでは、nilを特に否定せず、セーフティを保つための特別な仕掛けもありません。古典的な手法で対応することとなります。

シンプルな構文を保つ続けようとする、Goのポリシーと言えるでしょう。

Rust

Rustは、これまでの言語と比べても異色の対応を取っています。

Rustの重要な仕様として、nullやnilといった無効値定義を撤廃しています。無効値がある値は、必ずOption型で定義します。

enum Option<T> {
    Some(T),
    None,
}

そして、制御フロー演算子matchで、有効か無効かに従い、対処が分岐します。

let address: Option<String> = get_address();
let display_address = match address {
  Some(x) => String::from(&x[..5]),
  None => String::from("N/A"),
};

Rustでは、つぎの思想に基づいて意図的に設計されています。

• nullになる可能性のある値を保持するには、その値の型をOptionにしないといけない
• その値を処理するには、nullである場合を明示的に処理する必要がある

これにより、Option以外のすべての箇所で、Nullが登場しないことが約束されるということになります。

まとめ

Nullへの対応は、プログラマーにとって重要であり、かつ悩ましい課題です。

プレゼンテーション “Null References: The Billion Dollar Mistake”(Null参照: 10億ドルの間違い)には、こう記載されています。

近年のプログラミング言語には、エラーや脆弱性に対処すべくｋ、Null安全への仕掛け色々取り入れられています。

言語ポリシーにより、実装方法は様々です。でも、より安全に、完全に。向かう方向性は同じです。

言語の仕掛けもうまく利用し、安全性の高いプログラミングを心がけましょう。

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