ジェネリックプログラミング
ジェネリックプログラミングはデータ型でコードをインスタンス化するのか、あるいはデータ型をパラメータとして渡すかということにかかわらず、同じソースコードを利用できる。ジェネリックプログラミングは言語により異なる形で実装されている。ジェネリックプログラミングの機能は1970年代にCLUやAdaのような言語に搭載され、次にBETA、C++、D、Eiffel、Java、その後DECのTrellis/Owl言語などの数多くのオブジェクトベース (object-based) およびオブジェクト指向 (object-oriented) 言語に採用された。
1995年の書籍デザインパターンの共著者は(Ada、Eiffel、Java、C#の)ジェネリクスや、(C++の)テンプレートとしても知られるパラメータ化された型 (parameterized types) としてジェネリクスについて触れている。これらは、型を指定することなく、型を定義できるようにする(型は使用する時点で引数として与えられる)。このテクニック(特にデリゲーションを組み合わせるとき)は非常に強力である。
Javaのジェネリック型パラメーターは特定のクラスに制限されない。与えられたジェネリックオブジェクトが持っているかもしれないパラメーターの型の境界を指定するためにJavaではワイルドカードを使用できる。例えば、List<?>は無名のオブジェクト型を持つリストを表す。引数としてList<?>を取るようなメソッドは任意の型のリストを取ることができる。リストからの読み出しはObject型のオブジェクトを返し、そしてnullではない要素をリストへ書き込むことはパラメーター型が任意ではないために許されない。
ジェネリック要素の制約を指定するために、ジェネリック型が境界クラスのサブクラス(クラスの拡張とインターフェイスの実装のいずれか)であることを示すキーワードextendsを使用できる。そしてList<? extends Number>は与えられたリストがNumberクラスを拡張するオブジェクトを保持することを意味する。従って、リストが何の要素の型を保持しているのかがわからないためにnullではない要素の書き込みが許されないのに対し、リストから要素を読むとNumberが返るだろう。
ジェネリック要素の下限を指定するために、ジェネリック型が境界クラスのスーパークラスであることを示すキーワードsuperが使用される。そしてList<? super Number>はList<Number>やList<Object>でありえる。リストに正しい型を保存することが保証されるため任意のNumber型の要素をリストに追加できるのに対し、リストからの読み出しではObject型のオブジェクトを返す。
Adaには1977年-1980年の設計当初から汎用体 (generics) が存在する。標準ライブラリでも多くのサービスを実装するために汎用体を用いている。Ada2005では1998年に規格化されたC++のStandard Template Library (STL) の影響を受けた広範な汎用コンテナが標準ライブラリとして追加された。
汎用体 (generic unit) とは、0または複数の汎用体仮パラメータ (generic formal parameters) を採るプログラム単位(パッケージまたは副プログラム)である。
汎用体仮パラメータとしては、オブジェクト(変数・定数)、データ型、副プログラム、パッケージ,さらには他の汎用体のインスタンスさえ指定することができる。汎用体仮パラメータのデータ型としては、離散 (discrete) 型、浮動小数点数型、固定小数点数型、アクセス(ポインタ)型などを用いることができる。
汎用体をインスタンス化する際、プログラマは全ての仮パラメータに対応する実パラメータを指定する必要があるが、プログラマが明示的に全ての実パラメータを指定しなくても済むよう,仮パラメータにはデフォルトを指定することもできる。インスタンス化してしまえば,汎用体のインスタンスは、汎用体ではない通常のプログラム単位であるかのように振舞う。インスタンス化は実行時、例えばループの中などで行うことも可能である。
決まり文句を捨てるアプローチ (Scrap your boilerplate approach) は簡易的なジェネリックプログラミングのHaskellに対するアプローチである (Lämmel and Peyton Jones, 2003)。このアプローチはHaskellのGHC>=6.0の実装でサポートされる。このアプローチを使うことで、ジェネリックな読み込み、ジェネリックな明示、ジェネリックな比較(つまりgread、gshow、geq)と同様に、横断スキーム(例えばいつでもどこでも)のようなジェネリック関数をプログラマーは記述できる。このアプローチはタイプセーフなキャストとコンストラクタアプリケーションの実行のための一部の基本要素に基づいている。
ジェネリックプログラミングの特徴は、型を抽象化してコードの再利用性を向上させつつ、静的型付け言語の持つ型安全性を維持できることである。
ジェネリックプログラミングを用いない場合、例えば伝統的なC言語やPascalのような従来の静的型付け言語において、ソートなどのアルゴリズムや連結リストのようなデータ構造(オブジェクトのコンテナ)を記述する際は、たとえ対象となる要素のデータ型が異なるだけで事実上同一のコードであったとしても、具体的なデータ型ごとにそれぞれ実装しなければならない。整数型のリスト、倍精度浮動小数点数型のリスト、文字列型のリスト、ユーザー定義構造体のリスト、......といった具合である。もしジェネリックプログラミングをサポートしない言語で汎用的なコードを記述して再利用しようと思えば、メモリ空間効率や型安全性などを犠牲にしなければならなくなる(共用体や汎用ポインタ型とキャストを駆使するなど)。一方、C++の関数テンプレートやクラステンプレートのように、ジェネリックプログラミングを用いることで、抽象化された型について一度だけ記述したアルゴリズムやデータ構造をさまざまな具象データ型に適用して、コードを型安全に再利用できるようになる。これがジェネリックプログラミングの利点の一例として挙げられる。
以下にC++の例を示す。
上記は要素型をTとする双方向連結リストの定義例である。typename Tはテンプレートによる抽象化の対象となる型の名前(プレースホルダー)を表す。