ガード (プログラミング)

プログラミングにおけるガード

ガードとは、プログラミング言語において、条件式や条件分岐のような役割を果たすものです。ある処理を続けるためには、特定の条件が真（true）である必要があり、偽（false）の場合はその処理をスキップします。これは、パターンマッチングを持つ言語では、パターンマッチングの機能を強化するものと捉えることもできます。

つまり、データの構造がパターンにマッチしていても、その内部の値が特定の条件を満たさない場合には、その分岐をスキップすることができます。これは、数学的な関数定義における条件分岐に似ています。

ガードの例

Haskellのコード例を見てみましょう。

haskell
f x | x > 0 = 1
| otherwise = 0


この例では、`|`と`=`の間にある`x > 0`と`otherwise`がガードです。これは、数学における以下の関数定義に似ています。

$$ f(x) = \begin{cases} 1 & \text{if } x > 0 \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases} $$

複数のガードがある場合、上から順に評価され、最初に真となる条件の処理が実行されます。Haskellのリスト内包表記では、ガードが一つでも偽であると、その要素は生成されません。これは、ガードが論理積（AND）で結合されていると考えることができます。

ガードを持つ言語

ガードのような機能を持つプログラミング言語には、Haskell, Clean, Erlang, occam, OCamlなどがあります。並行論理プログラミング言語でも広く利用されています。Mathematicaでは、ガードを`constraint`と呼びます。

また、形式手法の言語であるGuarded Command Languageでも、ガードは重要な要素として使われています。

パターンガード

パターンガードとは、ガードの中でパターンマッチングを行う機能です。Haskellでは、パターンガード修飾子`<-`を使って、右辺の評価結果を左辺のパターンとマッチさせます。

haskell
f xs | [x,y] <- xs, x > y = x
| otherwise = 0


この例では、`xs`が2つの要素を持つリストである場合に限り、`x > y`の条件が評価されます。パターンガードも複数並べることができ、いずれかがマッチに失敗すれば、その分岐は実行されません。

ガードの歴史

ガードの概念は、プログラミング言語が登場する以前から数学的な記法として存在していました。

1960年: Lispの論文で、`(p1 → e1, ..., pn → en)`という記法が導入されました。これは、条件`p`が真であれば、対応する式`e`を評価するという意味です。
1963年: CPLでは、ガード付きの式として、`(x>0) -> 1/x; 0` のような記述が可能でした。これは、`x > 0`が真であれば`1/x`を、偽であれば`0`を返すという意味です。
1966年: ISWIMでは、else節のない条件付き式が存在し、ガードと二者択一の概念が分離されました。どの分岐も真でない場合は、式の値は未定義とされました。
1975年: DijkstraのGuarded Command Language（GCL）では、`if x ≥ y → m:= x ▯ y ≥ x → m:= y fi` のようにガードが多用されました。これは、`x >= y`が真なら`m`に`x`を代入し、`y >= x`が真なら`m`に`y`を代入するという意味です。
1976年: SASLは、ガードを使って関数の定義を選択する機能を持ち、これは後のHaskellのガードに影響を与えました。
1980年代: Guarded Horn Clauses（GHC）も、ガードを多用する言語です。

このように、ガードの概念はプログラミング言語の歴史の中で、条件分岐を表現するための重要な要素として発展してきました。

まとめ

ガードは、プログラミングにおける条件分岐をより柔軟かつ強力にするための重要な機能です。パターンマッチングと組み合わせることで、複雑な条件を簡潔に表現することができます。Haskell, Clean, Erlangなどの関数型言語では特に重要な役割を果たしています。ガードの概念は、プログラミング言語の進化とともに、数学的な記法から発展し、様々な形で実装されてきました。

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