[雑記] 明確な代入ルール | ++C++; // 未確認飛行 C

概要

C# には「明確な代入(definite assignment)ルール」と呼ばれる、未初期化変数を避ける仕組みがあります。

未定義動作問題

大昔のプログラミング言語では、変数に対して誰も何の値も代入していないことで、不定な値が返ってくるということがありました。不定な値が得られてしまうことで、未定義な動作になります。特にまずいのは、「テストの時にはたまたまうまくいっていた(うまくいく値が返っていた)けども、本番でだけ失敗する」みたいな状況です。

この未定義動作はかなりまずい状態なので、最近のプログラミング言語では大体これを防いでいます。大体以下のいずれかの手段を取ります。

既定値: ある決まった値(C# の場合は 0 や null)を自動的に代入する
明確な代入: 開発者が明示的な代入をすることを義務付ける

C# では、クラスのフィールドや配列の中身については前者の「既定値による初期化」を行っていて、ローカル変数については後者の「代入の義務付け」を行っています。この「代入の義務付け」が「明確な代入ルール」です。

ルールの例

まずわかりやすい例から見ていきましょう。分岐も何もなければ簡単です。以下のようなコードはコンパイルエラーになります。

int x;

// x に何も代入しないまま値を取り出そうとした。
Console.WriteLine(x);

解決策は当然「ちゃんと代入すること」(definitely assigned)なんですが、変数の宣言と同時に初期値を与えるのでもいいですし、後からの代入でも構いません。

// 変数宣言と同時に初期値を与える。
int x = 1;

int y;

// ここで y を使うとまずいけども…

y = 2;

// 値の代入後なら大丈夫。

Console.WriteLine(x);
Console.WriteLine(y);

C# では、この明確な代入を判定する際、分岐も見てくれます。全ての分岐先でちゃんと代入していれば OK です。

// 大丈夫な例: if-else 両方で代入。
static void m(bool condition)
{
    int x;

    if (condition)
    {
        x = 1;
    }
    else
    {
        x = -1;
    }

    // 大丈夫。
    Console.WriteLine(x);
}

// ダメな例: if でだけ代入。
static void m(bool condition)
{
    int x;

    if (condition)
    {
        x = 1;
    }

    // エラー。
    Console.WriteLine(x);
}

if だけではなく、switch でも判定してくれます。

// 大丈夫な例: case が全ての値を網羅しているなら大丈夫。
static void m(byte condition)
{
    int x;

    switch (condition)
    {
        case 0: x = -1; break;
        case 1: x = 1; break;
        default: x = 0; break; // default は必須。
    }

    // 大丈夫。
    Console.WriteLine(x);
}

// ダメな例: case に漏れがあるとダメ。
static void m(byte condition)
{
    int x;

    switch (condition)
    {
        case 0: x = -1; break;
        case 1: x = 1; break;
        case < 255: x = 1; break;
        // この条件だと、condition が 255 の時が漏れてる。
    }

    // エラー。
    Console.WriteLine(x);
}

// 大丈夫な例: 結構ちゃんと網羅性をチェックしてる。
static void m(sbyte condition)
{
    int x;

    switch (condition)
    {
        case < 0: x = -1; break;
        case 0: x = 0; break;
        case > 0: x = 1; break;
        // 負、0、正 で全ての値を網羅。
    }

    // 大丈夫。
    Console.WriteLine(x);
}

ループも結構ちゃんと判定します。例えば、while (false) や、break なども追ってくれます。

// ダメな例: 通らないループ。
int x;

while (false)
{
    // ここを通らないこともちゃんと判定される。
    x = 1;
}

// エラー。
Console.WriteLine(x);

// ダメな例: 早すぎる break。
int x;

while (true)
{
    break;
    // ここを通らないこともちゃんと判定される。
    x = 1;
}

// エラー。
Console.WriteLine(x);

// 大丈夫な例: break 前に代入。
int x;

while (true)
{
    // これならここを通る。
    x = 1;
    break;
}

// 大丈夫。
Console.WriteLine(x);

// 大丈夫な例: 永久ループの下。
int x;

while (true)
{
}

// 永久ループの下には来ないので、この行自体呼ばれない。
// その場合、「代入してない」エラーにはならない。
// 別途「絶対に通らない」警告は出る。
Console.WriteLine(x);

ルールの改善

Ver. 10

長らく、?. や ?? が絡んだ時の明確な代入の判定はあまり賢くありませんでした。明確に代入されているケースでも、判定漏れでコンパイルエラーになっていました。 (厳しめにエラーになっているので、未定義動作問題は起きません。不便なだけです。)

それが C# 10 で改善されました。例えば以下のコードは C# 10 以降でだけコンパイルできます。

// C# 10 から大丈夫な例: ?. == true。
void m(Dictionary<int, int>? d)
{
    if (d?.TryGetValue(123, out var x) == true)
    {
        // C# 10 から大丈夫になった。
        // (前までは ?. からの == true は判定漏れでエラー。)
        Console.WriteLine(x);
    }
}

// C# 10 から大丈夫な例: ?. ??。
void m(Dictionary<int, int>? d)
{
    if (d?.TryGetValue(123, out var x) ?? false)
    {
        // C# 10 から大丈夫になった。
        // (前までは ?. からの ?? も同様。)
        Console.WriteLine(x);
    }
}