Immutableプログラミングのすすめ

Immutableとは？

普段、特に意識せずにコードを書いていると、気づかないうちにMutable（可変）プログラミングをしていることがよくあります。ではmutableとimmutableは具体的にどう違うのでしょうか？

Mutableプログラミング（可変なプログラミング）

mutableなプログラムでは、作ったオブジェクトの状態を後から変更できるのが特徴です。これが普段書くコードのほとんどです。例えば、オブジェクトのプロパティ（値）を変更したり、リストにアイテムを追加したりします。簡単に言えば、「途中で変更できる」オブジェクトということです。

例：Mutableなプログラミング

public class Person
{
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
}

var person = new Person { Name = "Alice", Age = 30 };
person.Age = 31;  // ここでAgeを変更できる（mutable）

このコードでは、personというオブジェクトが作成され、後からそのAge（年齢）を変更できます。これがmutableです。オブジェクトの状態（Age）が後からいつでも変更できるのでバグを引き起こす原因になりやすいです。

Immutableプログラミング（不変なプログラミング）

一方で、immutableなプログラムでは、オブジェクトが作られた時点で、その状態は決まってしまい、後から変更することができません。もし状態を変更したい場合、新しいオブジェクトを作成してその新しい状態を反映させます。

例：Immutableなプログラミング

public record Person(string Name, int Age);  // record型を使用すると不変に

var person = new Person("Alice", 30);
var updatedPerson = person with { Age = 31 };  // 新しいオブジェクトが作成される

Console.WriteLine($"person.Age = {person.Age}") // person.Age = 30 ← 値が変更されていない

このコードでは、personのAge（年齢）は変更できません。もし年齢を変更したければ、新しいupdatedPersonというオブジェクトを作成します。元のpersonはそのままで、変更は加わりません。このように、一度作ったオブジェクトの状態を「不変」にすることをimmutableと言います。

Immutableなプログラミングのメリット

並行処理の容易化

イミュータブルなオブジェクトは、複数のスレッドから同時にアクセスしても状態が変化しないため、データ競合のリスクがほぼゼロになります。これにより、排他制御のためのロック処理が不要または最小限に抑えられ、並列処理や非同期処理の実装がシンプルになります。

バグの減少

ミュータブルな設計では、オブジェクトの状態が時間と共に変化するため、副作用によるバグの温床になります。イミュータブル設計では、状態が固定されることで予期せぬ変更が起きにくくなり、状態変化の原因を追跡しやすくなります。

テストの容易化

イミュータブルなオブジェクトは生成後に変更されないため、同じ入力に対して常に同じ出力が得られるという特性があります。これはテストの再現性にとって非常に有利です。

コードの可読性向上

オブジェクトの状態が不変であることを前提にコードを書くと、状態遷移を明示的に記述することになり、コードの流れが明確になります。

record型の利用（C# 9.0以降）

C# 9.0以降では、record型を使うことで、簡単にイミュータブルなオブジェクトを作成できます。record型は、デフォルトで不変オブジェクトを作成します。

public record Person(string Name, int Age);

var original = new Person("John", 30);
var updated = original with { Age = 31 };

initアクセサの利用

initアクセサを使うことで、プロパティが初期化後に変更できないようにすることができます。

public class Person
{
    public string Name { get; init; }
    public int Age { get; init; }
}

var person = new Person { Name = "Alice", Age = 25 };

イミュータブルコレクションの利用

C#にはSystem.Collections.Immutable名前空間が提供されており、イミュータブルなコレクションを使うことができます。

using System.Collections.Immutable;

var list = ImmutableList.Create("apple", "banana");
var newList = list.Add("cherry");