参照透過性とは？テストが楽になる仕組みを解説

2025年10月30日

その他

参照透過性は、プログラムの振る舞いを予測しやすくする基本的な考え方です。

同じ入力に対して常に同じ結果を返すことが核で、これが守られるとテストやデバッグがぐっと簡単になります。

この記事では、初学者でも実務で使えるように、言葉の定義から具体的な書き方のコツまでをやさしく解説します。

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参照透過性とは？初心者にもわかる基本

同じ入力→同じ出力がルール

参照透過性とは、関数や式が「同じ入力なら必ず同じ出力」を返し、外の状態に影響されない性質のことです。

これは数学の関数と同じイメージで、入力と出力の対応が安定しているため、理解と検証が容易になります。

プログラムの一部を切り出して考えやすくなるのが大きな利点です。

コード例(Python)

次の関数は参照透過です。

なぜなら、引数aとbだけから結果が決まり、外部の状態に依存しないからです。

Python

def add(a, b):
    return a + b

# いつ呼んでも add(2, 3) は 5

直感的なイメージ

参照透過な関数は「辞書」や「表」を引くように使えると考えると理解しやすいです。

特定の入力に対して、決まった答えがいつでも返ってきます。

置き換え可能性

参照透過性には「置き換え可能性」という重要な性質があります。

式をその評価結果で置き換えても、プログラム全体の意味が変わらないという性質です。

これはコードの理解や最適化でとても強力に働きます。

コード例(JavaScript)

add(2, 3) を 5 に置き換えても意味が同じなので、プログラムの読解や最適化がやりやすくなります。

JavaScript

function add(a, b) { return a + b; }

const total = add(2, 3) + add(2, 3);
// 置き換え可能: const total = 5 + 5;

純粋関数と参照透過性

純粋関数は「参照透過」かつ「副作用がない」関数のことです。

つまり、同じ入力に同じ結果を返し、外部の状態を読んだり書き換えたりしません。

純粋関数を中心に設計すると、部品ごとのテストが簡単で、コードの見通しが良くなります。

純粋関数の特徴まとめ

性質	説明
同じ入力→同じ出力	決定的であるため予測しやすい
副作用がない	外部状態に触れないため安全
置き換え可能	式を結果で置換できるので最適化しやすい

例: 足し算は参照透過、現在時刻は非参照透過

足し算のような計算は参照透過ですが、現在時刻の取得や乱数の生成は参照透過ではありません。

これは、呼ぶたびに結果が変わるためです。

コード例(JavaScript)

JavaScript

// 参照透過
function add(a, b) { return a + b; }

// 非参照透過
function now() { return Date.now(); }        // 呼ぶたびに変わる
function roll() { return Math.random(); }    // 毎回違う値

テストを安定させたい部分は参照透過で書き、外とのやり取りは境界に集約するのがコツです。

副作用とは何か

副作用とは、関数の外側の世界に何かしらの影響を与えたり、外側から影響を受けたりすることです。

代表的な例としては、画面やファイルへの出力、ネットワーク通信、グローバル変数の書き換え、現在時刻や乱数の取得などがあります。

副作用は必要ですが、計算と分けることで扱いやすくなります。

参照透過性がテストを楽にする理由

ユニットテストが短くなる

参照透過な関数は、入力と期待値だけを書けばテストが成立します。

外部環境の準備や後片付けが減るため、テストコードの行数が少なく、読みやすさも上がります。

テスト例(Python)

環境のセットアップなしで、すぐに検証できます。

Python

def double(x): return x * 2

def test_double():
    assert double(5) == 10

入力が同じなら結果が安定

参照透過では、同じテストはいつ実行しても同じ結果になります。

外部要因に左右されないため、いわゆるフレークテスト(ときどき落ちる不安定なテスト)を避けられます。

モック・スタブが最小限で済む

モックやスタブは、外部サービスや時間など、テストしづらい相手を仮想化する道具です。

参照透過な関数は外部に依存しないので、そもそもモックが不要か、必要になっても最小限で済みます。

デバッグが容易

不具合が出たとき、入力と出力だけで再現できるので原因究明が速くなります。

関数単体で検証でき、他のモジュールやネットワーク状態の影響を疑う必要が減ります。

並列実行でも安全

共有状態を変えないため、複数のテストや処理を同時に走らせても互いに干渉しません。

ロックや排他制御に悩むことが減り、ビルドやCIの高速化にもつながります。

参照透過性を保つ書き方のコツ

引数だけを使う関数を書く

必要な情報はすべて引数として受け取り、関数の外の変数に頼らないようにします。

これにより、関数の挙動が引数だけで説明できるようになります。

JavaScript

// 良い例: 必要な情報は引数で受け取る
function price(base, taxRate) {
  return base + base * taxRate;
}

グローバル変数を使わない・書き換えない

グローバル変数はどこからでも変更でき、原因不明のバグを生みやすくなります。

必要があれば、値を引数で受け渡し、戻り値で返すのが基本です。

値を返す

入力を直接書き換えず、新しい値を作って返すようにします。

配列やオブジェクトを扱うときは、元のデータを変更しないよう注意すると予期せぬ副作用を防げます。

コード例(JavaScript)

JavaScript

// 良い例: 新しい配列を返す
function append(xs, x) {
  return [...xs, x];
}

時間・乱数・I/Oは外に寄せる

現在時刻や乱数、ファイルやネットワークI/Oなどは非参照透過です。

それらを行う部分を外側の層に集め、純粋な計算部分に渡すように設計します。

依存性注入の簡単な形

テスト時は固定値を渡せるようにします。

JavaScript

function genId(randomFn) {
  const r = Math.floor(randomFn() * 1000);
  return `ID-${r}`;
}

// 本番
genId(Math.random);

// テスト
genId(() => 0.42); // 常に "ID-420" になる

計算と副作用を分ける

「薄いI/O」「厚い計算」という分け方が有効です。

外側の関数は入力を読み取り、内側の純粋関数に渡して結果を受け取り、最後に出力します。

構成イメージ

text

[入出力層(IO)] → [純粋な計算ロジック] ← ここを重点的にテスト

小さく分割してテストする

大きな関数は、一つのことだけをする小さな純粋関数の組み合わせに分割しやすいです。

小さくするとテストケースも短く明確になり、失敗時の原因特定が早まります。

初心者がつまずくポイントと対処法

ログ出力は副作用

console.logやprintは外部への出力なので副作用です。

便利ですが、テストを不安定にする原因になります。

ログのために関数を汚さないよう、設計を工夫しましょう。

対処: 結果とログを分けて返す

計算は純粋のまま、ログは呼び出し側で処理します。

JavaScript

function calcWithLog(x) {
  const y = x * 2;
  const logs = [`x=${x} を2倍しました`];
  return { result: y, logs };
}

// 呼び出し側で logs を出力するか判断

キャッシュは関数の外で管理する

メモリに値を保存するキャッシュは状態変化を伴います。

純粋な計算はそのまま残し、キャッシュはラッパー側で行うと、安全と速度の両立がしやすくなります。

対処: メモ化ラッパー

JavaScript

function memoize(fn) {
  const store = new Map();
  return (...args) => {
    const key = JSON.stringify(args);
    if (store.has(key)) return store.get(key);
    const val = fn(...args);
    store.set(key, val);
    return val;
  };
}

const pureAdd = (a, b) => a + b;
const memoAdd = memoize(pureAdd); // pureAdd は純粋のまま

キャッシュが壊れても計算本体は正しいという構造にしておくと安心です。

フレームワークの処理は外に出す

WebフレームワークやGUIのイベントはI/Oを多く含みます。

コントローラは入力の取り出しと出力だけにして、中心のロジックは純粋関数に寄せるとテスト可能性が大幅に上がります。

例(擬似コード)

text

Controller: HTTPリクエストを読む → useCase(input) を呼ぶ → 結果をHTTPレスポンスに書く
UseCase: 純粋関数で計算

既存コードを参照透過に直す手順

既存の混ざったコードは段階的に整えます。

一度に全部を直さず、境界から少しずつ純粋化するのがコツです。

非参照透過な箇所を洗い出す(時間、乱数、I/O、グローバル書き換え)
その処理を外側の関数に移し、値を引数と戻り値で受け渡す
中心の計算を純粋関数として抽出する
抽出した関数に対してユニットテストを書く

参照透過性とパフォーマンスのバランス

ときに、純粋性を保つためのデータコピーや抽象化がコストになることがあります。

まずは正しさを優先し、測定してから最適化するのが基本です。

メモ化やバッファリングは外側の層で行い、ロジックは安全に保ちましょう。

必要ならホットスポットのみ局所的に最適化します。

まとめ

参照透過性は、同じ入力に同じ出力を返し、副作用を計算から切り離すという考え方です。

これにより、テストの短縮、結果の安定、デバッグの容易さ、並列実行の安全性といった多くの実益が得られます。

実装のコツは、引数だけで完結する純粋関数を中心に据え、時間や乱数、I/Oは外に寄せることです。

最初は小さな関数からで構いません。

少しずつ純粋化を進めれば、コードは見通しが良くなり、品質と開発速度の両方が上がっていきます。