OCaml入門：初心者向けチュートリアル

OCamlとは何か、誰が使うのか

OCamlはフランスのInriaで生まれ、現在はJane StreetやTaridesなどの企業を含むオープンソースのコミュニティによって開発されています。関数型プログラミングに、オプションの命令型の機能(変更可能な参照、配列、ループ)と、ほとんどのコードでは必要ないオブジェクトシステムを組み合わせています。OCaml 5では、ドメインとエフェクトハンドラーによる共有メモリ並列が加わりました。

OCamlは、コンパイラやプログラム解析ツール、Rocq(旧Coq)のような証明支援系、取引システム(Jane Streetが最もよく知られた産業利用者です)、MetaのFlowやInferのような開発者向けツールに使われています。関数型プログラミングや型システムを教える言語としても定番です。

OCamlのインストールとhello, worldの実行

OCamlの標準的なインストール方法は、OCamlのパッケージマネージャーであるopamです。opamをインストールしたら、opam initを一度実行します。これでコンパイラがセットアップされます。続いて、opam install dune utopで、ビルドツールのduneと、より使いやすいREPLのutopをインストールします。

(* hello.ml *)
let () = print_endline "Hello, world!"

ocaml hello.ml            # run with the interpreter
ocamlopt -o hello hello.ml
./hello                   # native executable
# Hello, world!

let () = ...はエントリーポイントの標準的な書き方です。式を評価し、それがunit(値なし)を返すことを確認します。REPL(utopまたはocaml)では各フレーズの末尾に;;を付けますが、ソースファイルでは;;は必要ありません。実際のプロジェクトでは、dune init project myappでプロジェクトを作り、dune buildでコンパイルします。

値と基本の型

let name = "Ana"
let age = 30
let height = 1.68 *. 100.0
let () = Printf.printf "%s is %d, %.0f cm\n" name age height
(* Ana is 30, 168 cm *)
let count = ref 0
let () = incr count; Printf.printf "count = %d\n" !count

束縛はイミュータブルです。refは変更可能なセルで、!rで読み、r := vで書きます。OCamlはintとfloatを自動的に変換しません。float_of_intとint_of_floatを使ってください。

制御構文と関数

ifは式です。関数はletで定義し、再帰関数にはlet recが必要です。引数は空白で区切り、どの関数もカリー化されているので、部分適用は自然にできます。

let sign n =
  if n > 0 then "positive"
  else if n < 0 then "negative"
  else "zero"
let rec factorial n = if n <= 1 then 1 else n * factorial (n - 1)
let add x y = x + y          (* int -> int -> int *)
let add5 = add 5
let () =
  for i = 1 to 3 do
    Printf.printf "%d squared is %d\n" i (i * i)
  done;
  Printf.printf "%s %d %d\n" (sign (-2)) (factorial 5) (add5 10)
(* negative 120 15 *)

sign (-2)のかっこに注意してください。かっこがないと、OCamlはsign - 2を引き算として読みます。unitを返す式を順に実行するには;を使います。

リスト・配列・タプル・レコード

type person = { name : string; age : int }
let people = [ { name = "Ana"; age = 30 }; { name = "Ben"; age = 17 } ]
let () =
  people
  |> List.filter (fun p -> p.age >= 18)
  |> List.map (fun p -> p.name)
  |> List.iter print_endline
(* Ana *)
let older = { (List.hd people) with age = 31 }

パイプライン演算子x |> fはf xを意味します。Listモジュールにはmap、filter、fold_left、find_optなどが揃っています。

特徴的な機能：バリアント・パターンマッチ・モジュール

バリアント型は、値がとりうるすべてのケースを列挙します。パターンマッチはケースごとに値を分解し、ケースが足りないとコンパイラが警告するので、安全にリファクタリングできます。

type shape =
  | Circle of float
  | Rectangle of float * float
let area = function
  | Circle r -> Float.pi *. r *. r
  | Rectangle (w, h) -> w *. h
let () =
  List.iter (fun s -> Printf.printf "%.2f\n" (area s))
    [ Circle 1.0; Rectangle (2.0, 3.0) ]
(* 3.14 then 6.00 *)
module StringMap = Map.Make (String)
let ages = StringMap.(empty |> add "Ana" 30 |> add "Ben" 17)
let () = Printf.printf "%d\n" (StringMap.find "Ana" ages)   (* 30 *)

モジュールは型と関数をまとめます。すべてのファイルがモジュールです(list.mlはListになります)。ファンクターは、モジュールからモジュールへの関数です。Map.Make (String)は、キーが文字列のマップモジュールを作ります。シグネチャ(.mliファイル)は、実装の詳細を隠します。

エラー処理

OCamlには3つの手段があります。値がないかもしれない場合のoption、情報付きで失敗しうる処理のresult、例外的な状況のための例外です。

let parse_age s =
  match int_of_string_opt s with
  | Some n when n >= 0 -> Ok n
  | Some _ -> Error "Age must not be negative"
  | None -> Error "Not a number"
let () =
  match parse_age "abc" with
  | Ok n -> Printf.printf "Age %d\n" n
  | Error msg -> print_endline ("Error: " ^ msg)
(* Error: Not a number *)
exception Empty_input
let first = function [] -> raise Empty_input | x :: _ -> x
let () =
  try print_int (first []) with Empty_input -> print_endline "empty list"

小さな完成プログラム：単語の出現頻度

let () =
  let text = "the cat and the hat and the bat" in
  let counts = Hashtbl.create 16 in
  String.split_on_char ' ' text
  |> List.iter (fun w ->
         let n = Option.value (Hashtbl.find_opt counts w) ~default:0 in
         Hashtbl.replace counts w (n + 1));
  Hashtbl.to_seq counts
  |> List.of_seq
  |> List.sort (fun (_, a) (_, b) -> compare b a)
  |> List.filteri (fun i _ -> i < 2)
  |> List.iter (fun (w, n) -> Printf.printf "%s %d\n" w n)
(* the 3
   and 2 *)

このプログラムは、変更可能なハッシュテーブルで単語を数え、テーブルを(word, count)のペアのリストに変換し、回数の多い順に並べ替えて最初の2つを表示します。~default:0はラベル付き引数です。

次に学ぶこと

• ocaml.org：インストールガイド、「A Tour of OCaml」、Docsにあるその他のチュートリアル。
• 言語と標準ライブラリの完全なリファレンスであるOCamlマニュアル。
• プロジェクトのビルドのためのduneと、ライブラリのインストールのためのopamを学ぶ。
• より大きな実用的な例を載せた無料のオンライン書籍『Real World OCaml』に挑戦する。