共変性を利用したジェネリックの型パラメーターが共変性を利用したジェネリックで定義する方法

Question

前提・実現したいこと

C#のジェネリックについてですが、
以下のように、
Modelクラスとそれを保持するクラスのModelUserクラス
を定義しました。

    public class ModelUser1<Model> : IModelUser<Model>
        where Model : Model1, new()
    { }

    public class Model1 : IModel { }

    public interface IModelUser<out Model> where Model : IModel { }
    public interface IModel { }

これらを用いて継承を繰り返して
新たなクラスを作成し続けたいと考えております。

    public class ModelUser2<Model> : ModelUser1<Model>
        where Model : Model2, new()
    { }
    public class Model2 : Model1 { }


    public class ModelUser3<Model> : ModelUser2<Model>
        where Model : Model3, new()
    { }
    public class Model3 : Model2 { }
    

    public class ModelUser4 : ModelUser3<Model4> { }
    public class Model4 : Model3 { }
    

ここで、ある段階で
Modelクラスに専用のOptionクラスが必要になり、
それらも同様に実装しようと考え以下のように作成しました。

    public class ModelUser2<Model> : ModelUser1<Model>
        where Model : Model2<Option2>, new()
    { }
    public class Model2<Option> : Model1, IHaveOption<Option>
    where Option : Option1
    { }
    public class Option2 : Option1 { }
    public class Option1 : IOption { }
    public interface IHaveOption<out Option> where Option : IOption { }
    public interface IOption { }

    public class ModelUser3<Model> : ModelUser2<Model>
        where Model : Model3, new()
    { }
    public class Model3 : Model2<Option3> { }
    public class Option3 : Option2 { }

    public class ModelUser4 : ModelUser3<Model4> { }
    public class Model4 : Model3 { }

上記のように作成したところ
ModelUser3で

エラー CS0311
型 'Model'
はジェネリック型またはメソッド 'ModelUser2<Model>' 内で型パラメーター 'Model' として使用できません。
'Model'
から
'Test_UWP.Test.Model2<Test_UWP.Test.Option2>' への暗黙的な参照変換がありません。

とエラーメッセージが表示されてしまいます。
おそらく共変性の定義場所が間違ってるのだと考えているのですが、
どこが違うのかがわかりません
上記のように
共変性を利用したジェネリックの型パラメーターが共変性を利用したジェネリックで定義したい場合
どのようにすればよろしいでしょうか？

このようなサイトでの質問もまだ慣れておらず、情報不足ありましたら
ご指摘ください。
宜しくお願い致します。

補足情報（FW/ツールのバージョンなど）

・OS バージョン Windows10

Comments

[BluOxy]

ジェネリックを使うのではなくコンポジションでは駄目なのでしょうか。
public interface IModelUser{ IModel Model{ get; set;} }
public class Model2 : Model1{ IOption Option{ get; set; } }

[hirotamasami]

コメントありがとうございます。

おっしゃっていただいた

public class Model2 : Model1
{
IOption Option{ get; set; }
}
に対して
もし
Model3を作成するとき
OptionがOption2型として使えるようにしたいのでこのような形にしたいと考えます

public class Option2 : IOption
{
public int Option2Prop { get; set; }

}

public class Model3 : Model2
{
public void Function()
{
var prop = Option.Option2Prop; // IOptionのままではIOptionまでの範囲 すなわちOption2Propがなくて使えない
}
}

よろしくお願いします。

Answer 1

共変性を利用したジェネリックの型パラメーターが共変性を利用したジェネリックで定義したい場合

どのようにすればよろしいでしょうか？

入れ子のようにジェネリックにパラメータを渡せば解決するかもしれませんが、そもそもその構造が複雑すぎるので、本質的に必要でないなら別の手段を選んだほうが良いと思います。

型だけ違って処理の内容が同一であればジェネリックを使っても良いと思います。
そうでなければジェネリックではなくコンポジションを使うべきだと思います。
（Modelだけではなく、Modeluserクラスにも同様のことが書けます）

継承自体も本当に使う必要があるかよく分かっていませんが、仮に必要だとしたら下記のような形にせざるを得ないかと思います。

public class Model2 : Model1
{
    private readonly IOption _option;
}

public class Model3 : Model2
{
    private readonly Option2 _option2;
    public Model3(Option2 option):base(option){ _option2 = option; }

    public void Function()
    {
        var prop = _option2.Option2Prop;
    }
}

---

もしくはC# 9.0で実装された 共変戻り値型 を利用するか。
環境を作っていないのでコンパイルしていませんが、恐らく下記のような書き方ができると思います。

public class Model2 : Model1
{
    public virtual IOption Option{ get; }
}

public class Model3 : Model2
{
    public override Option2 Option{ get; }
    public void Function()
    {
        var prop = Option.Option2Prop;
    }
}

Comments

[BluOxy]

仕事で書いているコードであれば、まずはそのクラス設計が目的に見合っているものかレビューをした方が良いと思います。ジェネリックは手段でしかありませんので、問題があれば別の手段を探すべきです。

別の手段がなければ、そもそもの目的が合理的かを疑います。合理的な目的があってこそ、クリーンなコードが書ける訳なので、前段の整理に時間をかけてもまったく無駄ではなく、むしろかけるべきと思います。
（情報漏洩的な問題もあるかと思いますので、社内で検討してもらうか、隠すべき情報は隠してteratailに質問するなりすれば良いと思います）

[BluOxy]

ネストされたジェネリック型はせいぜいList<List<int>>、List<List<List<int>>>のような二次元配列や多次元配列を表現するときぐらいに使うのが適切だと思います。
しかし、可読性の観点で、私ならジェネリックを使わずにint[,]、int[,,]と書くか、その構造を表現するオブジェクトを作るかもしれません。

もし、開発メンバーの全員がネストされたジェネリック型を見て複雑でないと認識が合うのであれば、ModelUser<Model<Option>>のような型の記述をそれぞれのクラスに対応すれば良いと思います。

[hirotamasami]

お世話になっております。

サンプルで用意してくださった。
方法で実装可能であればかなり楽になるのですが、
変数やプロパティって別型でoverrideできるんでしたっけ？
一応C#9.0が使用できるであろう.Net 5.0のプロジェクトを
新規で作成してみて
そちらで上記コードを実装してみたのですが、
今のところ変数ではそもそもVirtualがだめとエラーがでて、
プロパティではoverride先で型そろえてくださいと
エラーがでるのですが、
なにかVisual Studioの設定などをいじる必要がありますでしょうか?

ちなみに今回の質問はどうすれば質問の内容が可能かの
個人的な疑問です。

[BluOxy]

すみません。上記ソースコードはただのフィールド定義になっていました。
プロパティで定義する想定でした。

[BluOxy]

しかし…改めてリンクを読んでみると、読み取り/書き込みのプロパティは駄目かもしれません。

[BluOxy]

読み取り専用プロパティだと使えるのではないでしょうか。

[hirotamasami]

そうですね
上記の通りgetのみのプロパティだとコンパイルエラーは消滅しました。
共変性反変性の説明によるとざっくりとしか理解していませんが、
メソッドの例から共変性を利用すると戻り値の型をいじれる点からも
getのみが型変換できるようになるのもわかるような気もします。
※set処理の内容ごとoverrideで強制書換させられるような仕組みになっていれば理論上は問題ないような気もしますが
https://ufcpp.net/study/csharp/sp4_variance.html
getのみだと今回疑問が解消されてないので、その辺は考える必要がありそうですが、
もう少し考えてみて答えをだそうかと考えております。

ありがとうございます

[BluOxy]

>ちなみに今回の質問はどうすれば質問の内容が可能かの
個人的な疑問です。

- Model3はModel2<Option3>に依存
- ModelUser3はModel3に依存
- ModelUser2はModel2<Option2>に依存
となっており、Model2<Option3>とModel2<Option2>でバッティングしているので問題があると思います。

下記のように出来るだけ具象ではなく抽象に依存しないといけません
public class Model2<Option> : Model1, IHaveOption<Option> where Option : IOption { }
public class ModelUser2<Model> : ModelUser1<Model> where Model : Model2<IOption>, new() { }
public class Model3 : Model2<IOption> { }

そうすれば可能ではありますが、納得できる形かは分かりません。
いずれにしろ、ジェネリックをネストするのはあまり実用的ではないと思います。
（コンポジションで作れるのであれば、そちらである方が良いと思います）

[BluOxy]

言語はJavaですが自分の思想の元を添付しておきます。
https://qiita.com/mikamikuh@github/items/1cdcd8b25a2e23f10525

[hirotamasami]

なるほど、つまり具象を実装したい場合、
上記を用いて

public class ModelUser4 : ModelUser3<Model4> { }

public class Model4 : Model3_2 { }

public class ModelUser3<Model> : ModelUser2<Model>
where Model : Model3_2, new()
{ }

public class Model3_2 : Model3<Option2> { }

public class Model3<Option> : Model2<IOption>
where Option:IOption
{
}

public class ModelUser2<Model> : ModelUser1<Model> where Model : Model2<IOption>, new() { }

public class Model2<Option> : Model1, IHaveOption<Option> where Option : IOption { }

public class Option2 : Option1 { }
public class Option1 : IOption { }
public interface IHaveOption<out Option> where Option : IOption { }
public interface IOption { }

//Base ViewModel Model
public class ModelUser1<Model> : IModelUser<Model>
where Model : IModel, new()
{ }

public class Model1 : IModel { }

public interface IModelUser<out Model> where Model : IModel { }
public interface IModel { }

のように実装すれば可能ということですね

これで
ModelUser3の段階では
Model3_2,Option2
とどちらも具象の要素を触れるようになるということですね

今回は個人的に方法を追求しましたが、
今後このような仕組みの実装機会がございましたら、
おっしゃってくださったような
コンポジションでの製法も視野に入れ実装させていただきたいと思います。

いろいろとありがとうございました。