Swift: Swiftの高階関数:map、filter、reduceと関数チェーン

高階関数とは、他の関数を引数として受け取ったり、関数を返したりする関数です。Swift標準ライブラリはmap、filter、reduceなどの強力な高階関数を提供し、宣言的なスタイルでコレクションを処理できます。

1. 学習目標


2. データアナリストの実話

(1) 課題:配列処理の肥大化したforループコード

Bobはユーザー配列からアクティブユーザーを抽出し、年齢でソートし、出力文字列をフォーマットする必要があります:

SWIFT
var activeUsers: [String] = []
for user in users {
    if user.isActive {
        activeUsers.append(user.name)
    }
}
activeUsers.sort()
var result: [String] = []
for name in activeUsers {
    result.append("User: \(name)")
}

forループ2つ + 一時配列 + ソート。ロジックは単純なのにコードは長く、「何をしたいか」ではなく「どうやるか」の詳細で溢れています。

(2) 高階関数による解決策

関数チェーンを使ってすべてを1行で実現します:

SWIFT
let result = users
    .filter { $0.isActive }
    .map { $0.name }
    .sorted()
    .map { "User: \($0)" }

コードが10行から4行に減り、可読性も向上します。

(3) 利点:宣言的プログラミングのメリット

観点 forループ 高階関数チェーン
コード量 10〜15行 3〜5行
可読性 ループ本文を読まないと意図がわからない 関数名が直接意図を表現
データフロー 中間変数を追跡する必要あり チェーンがデータフローを明示
変更の影響 ロジック変更にはループ書き換えが必要 他に影響なくステップを追加/削除可能
並行性 手動管理 並列化に本質的に適している(例:parallelMap

3. map:各要素を変換する

map は配列の各要素に変換を適用し、同じ長さの新しい配列を返します。

100%
graph LR
    A["[1, 2, 3, 4, 5]"] --> B["map { $0 * 2 }"]
    B --> C["[2, 4, 6, 8, 10]"]
シナリオ 入力 変換 出力
値を2倍 [1, 2, 3] { $0 * 2 } [2, 4, 6]
プロパティ抽出 [User, User] { $0.name } ["Alice", "Bob"]
型変換 ["1", "2"] { Int($0) } [1, 2](型は [Int?] になる)

▶ サンプル: mapの基本的な使い方

SWIFT
// ============================================
// map: Apply transformation to each element
// ============================================
let numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
// for-loop approach (old style)
var doubled: [Int] = []
for n in numbers { doubled.append(n * 2) }
// map approach (modern style)
let doubledMap = numbers.map { $0 * 2 }
print("doubledMap: \(doubledMap)")
// Extract string lengths
let words = ["Swift", "Python", "Go"]
let lengths = words.map { $0.count }
print("lengths: \(lengths)")

出力:

TEXT 📖 参照専用
doubledMap: [2, 4, 6, 8, 10]
lengths: [5, 6, 2]

4. filter:要素を選択する

filter は条件を満たす要素を保持し、新しい配列を返します。

▶ サンプル: filterによる選択操作

SWIFT
// ============================================
// filter: Keep elements that satisfy a condition
// ============================================
let scores = [45, 82, 91, 63, 77, 55, 88]
// Filter passing scores (>= 60)
let passed = scores.filter { $0 >= 60 }
print("Passed: \(passed)")
// Filter excellent scores (>= 85)
let excellent = scores.filter { $0 >= 85 }
print("Excellent: \(excellent)")
// Chaining: filter failing scores then double them
let failedDoubled = scores
    .filter { $0 < 60 }
    .map { $0 * 2 }
print("Failed scores doubled: \(failedDoubled)")

出力:

TEXT 📖 参照専用
Passed: [82, 91, 63, 77, 88]
Excellent: [91, 88]
Failed scores doubled: [90, 110]

ヒント: filter は元の順序を保持した新しい配列を返します。


5. reduceとcompactMap

(1) reduce:単一の値に集約する

reduce は配列の全要素を単一の値に結合します。

パラメータ 意味
initialResult 初期値 合計なら 0、連結なら ""
nextPartialResult 蓄積クロージャ { $0 + $1 }
100%
graph LR
    A["[1, 2, 3, 4]"] --> B["reduce(0) { $0 + $1 }"]
    B --> C["0+1=1, 1+2=3, 3+3=6, 6+4=10"]
    C --> D["10"]

▶ サンプル: reduceの様々なユースケース

SWIFT
// ============================================
// reduce: Reduction operations
// ============================================
let numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
// Sum
let sum = numbers.reduce(0) { $0 + $1 }
print("sum: \(sum)")
// Product
let product = numbers.reduce(1) { $0 * $1 }
print("product: \(product)")
// Concatenate strings
let words = ["Swift", "is", "awesome"]
let sentence = words.reduce("") { $0.isEmpty ? $1 : "\($0) \($1)" }
print("sentence: \(sentence)")
// Named parameters for clarity
let sumNamed = numbers.reduce(0) { total, next in total + next }
print("sumNamed: \(sumNamed)")

出力:

TEXT 📖 参照専用
sum: 15
product: 120
sentence: Swift is awesome
sumNamed: 15

(2) compactMap:nil値をフィルタする

compactMapmap のように動作しますが、nil 値を自動的に除外します。

SWIFT
// ============================================
// compactMap and flatMap
// ============================================
// compactMap: Filter nil
let strings = ["1", "two", "3", "four", "5"]
let numbers2 = strings.compactMap { Int($0) }
print("numbers: \(numbers2)")
// flatMap: Flatten nested arrays
let nested = [[1, 2], [3, 4, 5], [6]]
let flattened = nested.flatMap { $0 }
print("flattened: \(flattened)")

出力:

TEXT 📖 参照専用
numbers: [1, 3, 5]
flattened: [1, 2, 3, 4, 5, 6]

6. チェーンの実践

高階関数の最も強力な使い方はチェーンです — 複数の操作をパイプラインとして接続します。

▶ サンプル: 複雑なデータ変換チェーン

SWIFT
// ============================================
// Chaining: User data analysis pipeline
// ============================================
struct User {
    let name: String
    let age: Int
    let isActive: Bool
    let scores: [Int]
}
let users = [
    User(name: "Alice", age: 28, isActive: true, scores: [85, 90, 78]),
    User(name: "Bob", age: 22, isActive: false, scores: [70, 75]),
    User(name: "Charlie", age: 35, isActive: true, scores: [95, 92, 98, 100]),
    User(name: "Diana", age: 17, isActive: true, scores: [60, 65]),
    User(name: "Eve", age: 30, isActive: false, scores: [88, 82])
]
// Chain pipeline: active users → adults → average score → sort by score → format
let report = users
    .filter { $0.isActive }
    .filter { $0.age >= 18 }
    .map { user -> (name: String, avgScore: Double) in
        let avg = Double(user.scores.reduce(0, +)) / Double(user.scores.count)
        return (user.name, avg)
    }
    .sorted { $0.avgScore > $1.avgScore }
    .map { "\($0.name): \(String(format: "%.1f", $0.avgScore))" }
print("=== Active Adult User Report ===")
report.forEach { print($0) }

出力:

TEXT 📖 参照専用
=== Active Adult User Report ===
Charlie: 96.2
Alice: 84.3

7. 完全な例:ショッピングカート価格計算機

SWIFT
// ============================================
// Complete example: Shopping cart price calculator
// Features: map + filter + reduce + compactMap combined
// ============================================
import Foundation
struct CartItem {
    let name: String
    let price: Double
    let quantity: Int
    let isDiscounted: Bool
}
let cart = [
    CartItem(name: "Laptop", price: 1299, quantity: 1, isDiscounted: false),
    CartItem(name: "Mouse", price: 29.99, quantity: 2, isDiscounted: true),
    CartItem(name: "Keyboard", price: 99.99, quantity: 1, isDiscounted: true),
    CartItem(name: "Cable", price: 9.99, quantity: 3, isDiscounted: false),
    CartItem(name: "Monitor", price: 399, quantity: 0, isDiscounted: false)
]
// 1. Filter out zero-quantity items
let validItems = cart.filter { $0.quantity > 0 }
// 2. Calculate total per item (15% off for discounted items)
let itemTotals = validItems.map { item -> (String, Double) in
    let unitPrice = item.isDiscounted ? item.price * 0.85 : item.price
    let total = unitPrice * Double(item.quantity)
    return (item.name, total)
}
// 3. Calculate grand total
let grandTotal = itemTotals.reduce(0) { $0 + $1.1 }
// 4. Format output
print("=== Shopping Cart ===")
itemTotals.forEach { print("  \($0): $\(String(format: "%.2f", $1))") }
print("  ----------")
print("  Total: $\(String(format: "%.2f", grandTotal))")

出力:

TEXT 📖 参照専用
=== Shopping Cart ===
 Laptop: $1299.00
 Mouse: $50.98
 Keyboard: $84.99
 Cable: $29.97
  ----------
  Total: $1464.94

❓ よくある質問

Q mapとforEachの違いは何ですか?
A map は新しい配列を返します。forEach は反復するだけで何も返しません。データを変換して新しい配列が欲しい場合は map を使います。副作用(出力など)だけが必要な場合は forEach を使います。
Q flatMapとcompactMapの違いは何ですか?
A Swift 4.1以降、flatMap はネストコレクションを平坦化し(例:[[1,2], [3]][1,2,3])、compactMapnil 値をフィルタします(例:[1, nil, 3][1, 3])。それぞれ役割が異なります。
Q チェーンはパフォーマンスに影響しますか?
A 各呼び出しで新しい配列が作成されるため、中間的な割り当てコストが発生します。小〜中規模のデータ(数千要素以下)では影響は無視できます。大規模データセットでは lazy を使って遅延評価を検討してください:array.lazy.filter { ... }.map { ... }
Q reduceは空配列を処理できますか?
A はい。reduce は単に初期値を返します。例:[].reduce(0, +)0 を返します。ただし、初期値が空配列に適さない場合(最大値を見つけるなど)は、事前に isEmpty をチェックしてください。
Q 高階関数ですべてのforループを置き換えられますか?
A ほとんどの場合、はい。ただし、forループが適しているケースもあります:途中でbreakする必要がある場合、複雑な操作にインデックスが必要な場合、隣接要素にアクセスする必要がある場合です。変換、フィルタリング、集約、平坦化には高階関数を使いましょう。

📖 まとめ


📝 練習問題

  1. 基本: 整数配列 [10, 20, 30, 40, 50] が与えられたとき、まず map で各要素を2で割り、次に filter で15より大きい要素を保持してください。
  2. 中級: 文字列配列 ["apple", "banana", "kiwi", "strawberry", "fig"] が与えられたとき、チェーンを使って長さが5以上の文字列をフィルタし、大文字に変換し、アルファベット順にソートしてください。
  3. 発展: Transaction 構造体(プロパティ:amount: Doublecategory: Stringdate: Date)の配列が与えられたとき、reduce(into:) を使ってカテゴリごとに金額をグループ化して合計してください。その後、各カテゴリの合計を出力してください。
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