TypeScriptデコレーターで実践するクラスのメタプログラミング完全ガイド

TypeScriptのデコレーターは、クラスやメソッド、プロパティ、引数に対して付加的な機能を実装できる強力なツールです。デコレーターを使用することで、コードの再利用性や可読性を向上させ、複雑なロジックを簡潔に表現できます。特に、クラスベースのアプリケーションやフレームワーク開発において、メタプログラミングの手法として有用です。本記事では、デコレーターの基本から、実際にどのようにクラスに適用して高度なメタプログラミングを実現するか、具体的な例と共に解説します。

TypeScriptのデコレーターとは
1. デコレーターの基本構文
クラスデコレーターの使い方
1. 基本的なクラスデコレーターの例
2. クラスの動的な変更
プロパティデコレーターの活用法
1. 基本的なプロパティデコレーターの例
2. バリデーションを追加するプロパティデコレーター
メソッドデコレーターの実践例
アクセサーデコレーターでアクセス制御
パラメータデコレーターの応用例
実際のプロジェクトでのデコレーターの使用例
デコレーターのパフォーマンスへの影響
TypeScriptとデコレーターを使ったデザインパターンの実装
実践例：クラスの自動ログ出力機能
まとめ

TypeScriptのデコレーターとは

デコレーターは、TypeScriptにおけるメタプログラミングの一種で、クラスやそのメンバーに対して、特定の処理を追加できる機能です。JavaScriptにおいては、ES7の提案段階にある機能ですが、TypeScriptではオプションとしてサポートされています。デコレーターを利用すると、クラスやメソッドに対して動的に振る舞いを追加したり、既存の動作を修正したりすることができます。

デコレーターの基本構文

デコレーターは、対象とするクラス、プロパティ、メソッド、または引数の宣言の直前に、@で始まる関数として記述します。例えば、以下のような形式です。

function MyDecorator(target: any) {
  console.log("クラスが作成されました");
}

@MyDecorator
class MyClass {
  constructor() {
    console.log("インスタンス作成");
  }
}

この例では、MyDecorator関数がMyClassに適用され、クラス定義時にデコレーターが実行される仕組みです。

クラスデコレーターの使い方

クラスデコレーターは、クラス自体に対して処理を追加するためのデコレーターです。クラスデコレーターを利用することで、クラスに関するメタデータの追加や、クラスの振る舞いを動的に変更することが可能です。クラスデコレーターは、コンストラクター関数に適用され、クラスのインスタンス化やそのプロパティ、メソッドの挙動に影響を与えます。

基本的なクラスデコレーターの例

以下に、クラスのログを自動的に出力するクラスデコレーターの例を示します。

function LogClass(target: Function) {
  console.log(`クラス: ${target.name} が定義されました`);
}

@LogClass
class MyClass {
  constructor() {
    console.log("MyClassのインスタンスが作成されました");
  }
}

この例では、LogClassデコレーターがMyClassクラスに適用され、クラスが定義された際にクラス名がログに出力されます。

クラスの動的な変更

クラスデコレーターは、クラスのプロパティやメソッドを変更するためにも使用できます。次に、クラスのインスタンス化を制御し、クラスのプロパティを追加するデコレーターの例を紹介します。

function Sealed(constructor: Function) {
  Object.seal(constructor);
  Object.seal(constructor.prototype);
}

@Sealed
class SealedClass {
  constructor(public name: string) {}
}

const instance = new SealedClass("デコレーター");
console.log(instance);

この例では、Sealedデコレーターがクラスとそのプロトタイプを凍結（seal）し、クラスやインスタンスに新しいプロパティやメソッドを追加できないようにします。このように、クラスデコレーターを用いることでクラスの振る舞いを柔軟に制御できます。

プロパティデコレーターの活用法

プロパティデコレーターは、クラス内の特定のプロパティに対して付加的な処理や制約を加えるために使用されます。これにより、プロパティの設定や参照に対する制御を柔軟に行うことができます。プロパティデコレーターは、クラス定義時に実行され、メタデータを追加したり、プロパティの挙動をカスタマイズしたりすることが可能です。

基本的なプロパティデコレーターの例

次の例では、プロパティのアクセスログを出力するデコレーターを定義しています。

function LogProperty(target: any, propertyKey: string) {
  let value = target[propertyKey];

  const getter = () => {
    console.log(`プロパティ「${propertyKey}」が参照されました: ${value}`);
    return value;
  };

  const setter = (newValue: any) => {
    console.log(`プロパティ「${propertyKey}」に新しい値が設定されました: ${newValue}`);
    value = newValue;
  };

  Object.defineProperty(target, propertyKey, {
    get: getter,
    set: setter,
    enumerable: true,
    configurable: true
  });
}

class User {
  @LogProperty
  public name: string;

  constructor(name: string) {
    this.name = name;
  }
}

const user = new User("山田太郎");
user.name = "佐藤一郎"; // プロパティ「name」に新しい値が設定されました: 佐藤一郎
console.log(user.name); // プロパティ「name」が参照されました: 佐藤一郎

この例では、LogPropertyデコレーターがnameプロパティに適用されており、プロパティの値を設定したり取得したりするたびにログが出力されます。

バリデーションを追加するプロパティデコレーター

プロパティデコレーターを利用して、プロパティの値に対するバリデーションを追加することも可能です。以下の例では、数値の範囲をチェックするバリデーションデコレーターを実装しています。

function MinValue(min: number) {
  return function (target: any, propertyKey: string) {
    let value = target[propertyKey];

    const setter = (newValue: number) => {
      if (newValue < min) {
        throw new Error(`${propertyKey}は${min}以上でなければなりません`);
      }
      value = newValue;
    };

    Object.defineProperty(target, propertyKey, {
      set: setter,
      get: () => value,
      enumerable: true,
      configurable: true
    });
  };
}

class Product {
  @MinValue(10)
  public price: number;

  constructor(price: number) {
    this.price = price;
  }
}

const product = new Product(15);
product.price = 5; // エラー: priceは10以上でなければなりません

この例では、MinValueデコレーターがpriceプロパティに適用され、値が10未満に設定された場合にエラーが発生するようになっています。プロパティデコレーターを使うことで、このようにプロパティの値に対するルールを簡単に追加できます。

メソッドデコレーターの実践例

メソッドデコレーターは、クラス内の特定のメソッドに対して処理を追加したり、メソッドの動作を変更するために使用されます。これにより、例えばメソッド呼び出しの前後に特定の処理を追加したり、メソッドの動作をラップしてログを出力するなどのカスタマイズが可能です。

基本的なメソッドデコレーターの例

以下は、メソッドが呼び出されるたびにその呼び出し内容をログに記録するメソッドデコレーターの例です。

function LogMethod(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    console.log(`メソッド「${propertyKey}」が呼び出されました。引数: ${JSON.stringify(args)}`);
    return originalMethod.apply(this, args);
  };

  return descriptor;
}

class Calculator {
  @LogMethod
  public add(a: number, b: number): number {
    return a + b;
  }
}

const calc = new Calculator();
calc.add(5, 10); // メソッド「add」が呼び出されました。引数: [5,10]

この例では、LogMethodデコレーターがaddメソッドに適用され、メソッドの呼び出し時に引数がコンソールに出力されます。元のメソッドの機能は変更されず、そのまま実行されます。

メソッドの実行を制御するデコレーター

メソッドデコレーターを使うことで、メソッドの実行を制御することも可能です。例えば、特定の条件下でのみメソッドを実行するようにすることができます。

function ConfirmExecution(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    const confirmation = window.confirm(`本当にメソッド「${propertyKey}」を実行しますか？`);
    if (confirmation) {
      return originalMethod.apply(this, args);
    }
    console.log("メソッドの実行がキャンセルされました。");
    return null;
  };

  return descriptor;
}

class Action {
  @ConfirmExecution
  public deleteItem() {
    console.log("アイテムが削除されました");
  }
}

const action = new Action();
action.deleteItem(); // ユーザーの確認次第でメソッドが実行される

この例では、ConfirmExecutionデコレーターがdeleteItemメソッドに適用され、メソッドが実行される前にユーザーに確認ダイアログが表示されます。ダイアログで「OK」を選択した場合のみ、メソッドが実行されます。

メソッドデコレーターの応用例: キャッシュ機能の追加

次に、メソッドの結果をキャッシュすることで、同じ計算を繰り返す場合のパフォーマンスを向上させるデコレーターの例を示します。

function CacheResult(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;
  const cache = new Map<string, any>();

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    const key = JSON.stringify(args);
    if (cache.has(key)) {
      console.log(`キャッシュから結果を取得: ${key}`);
      return cache.get(key);
    }

    const result = originalMethod.apply(this, args);
    cache.set(key, result);
    console.log(`結果をキャッシュに保存: ${key}`);
    return result;
  };

  return descriptor;
}

class MathOperations {
  @CacheResult
  public factorial(n: number): number {
    if (n <= 1) return 1;
    return n * this.factorial(n - 1);
  }
}

const mathOps = new MathOperations();
console.log(mathOps.factorial(5)); // 計算され、結果がキャッシュされる
console.log(mathOps.factorial(5)); // キャッシュから結果が取得される

この例では、CacheResultデコレーターがfactorialメソッドに適用され、同じ引数での呼び出しに対してはキャッシュされた結果が返されます。これにより、メソッドのパフォーマンスが向上します。

アクセサーデコレーターでアクセス制御

アクセサーデコレーターは、クラスのプロパティに対するgetterやsetterメソッドに適用され、プロパティの読み書き操作をカスタマイズするために使用されます。これにより、特定の条件に基づいてプロパティの値を読み取ったり設定したりする際に、柔軟な制御を加えることができます。

基本的なアクセサーデコレーターの例

次に、アクセサーデコレーターを用いてプロパティの読み取りや書き込み時にログを出力する例を示します。

function LogAccessor(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalGetter = descriptor.get;
  const originalSetter = descriptor.set;

  descriptor.get = function () {
    console.log(`プロパティ「${propertyKey}」が取得されました`);
    return originalGetter && originalGetter.call(this);
  };

  descriptor.set = function (newValue: any) {
    console.log(`プロパティ「${propertyKey}」に新しい値が設定されました: ${newValue}`);
    originalSetter && originalSetter.call(this, newValue);
  };

  return descriptor;
}

class Person {
  private _age: number = 30;

  @LogAccessor
  get age(): number {
    return this._age;
  }

  set age(value: number) {
    this._age = value;
  }
}

const person = new Person();
person.age = 35; // プロパティ「age」に新しい値が設定されました: 35
console.log(person.age); // プロパティ「age」が取得されました

この例では、LogAccessorデコレーターを使って、ageプロパティの取得と設定時にログが出力されるようにしています。これにより、プロパティがいつ参照・変更されたのかを追跡できます。

アクセサーデコレーターによるアクセス制限

アクセサーデコレーターを活用して、プロパティへのアクセスを制限することもできます。例えば、プロパティの値を一定の範囲内に制限するために、setterでバリデーションを実装することが可能です。

function MinMax(min: number, max: number) {
  return function (target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
    const originalSetter = descriptor.set;

    descriptor.set = function (value: number) {
      if (value < min || value > max) {
        throw new Error(`${propertyKey}は${min}以上${max}以下でなければなりません`);
      }
      originalSetter && originalSetter.call(this, value);
    };

    return descriptor;
  };
}

class Product {
  private _price: number = 100;

  @MinMax(50, 500)
  set price(value: number) {
    this._price = value;
  }

  get price(): number {
    return this._price;
  }
}

const product = new Product();
product.price = 300; // 正常に設定される
console.log(product.price); // 300
product.price = 600; // エラー: priceは50以上500以下でなければなりません

この例では、MinMaxデコレーターを使用して、priceプロパティが50から500の範囲外に設定されないよう制御しています。範囲外の値を設定しようとすると、エラーが発生する仕組みです。

アクセサーデコレーターの応用例: 読み取り専用プロパティの実装

アクセサーデコレーターを使うと、特定のプロパティを読み取り専用にすることもできます。次の例では、プロパティを読み取り専用にするデコレーターを実装しています。

function ReadOnly(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  descriptor.set = function () {
    throw new Error(`${propertyKey}は読み取り専用です`);
  };

  return descriptor;
}

class Car {
  private _model: string = "Tesla Model S";

  @ReadOnly
  get model(): string {
    return this._model;
  }
}

const car = new Car();
console.log(car.model); // "Tesla Model S"
car.model = "Tesla Model X"; // エラー: modelは読み取り専用です

この例では、ReadOnlyデコレーターを用いてmodelプロパティを読み取り専用にしています。値を取得することはできますが、値を変更しようとするとエラーが発生します。

アクセサーデコレーターを使用することで、プロパティのアクセスに対する制御を細かく行うことができ、クラスの設計に一層の柔軟性を持たせることが可能です。

パラメータデコレーターの応用例

パラメータデコレーターは、メソッドの引数に対して処理を追加するためのデコレーターです。これにより、引数に対するバリデーションやメタデータの付加が可能になります。他のデコレーターと同様に、パラメータデコレーターはメタプログラミングの一環として、コードの柔軟性を高め、リファクタリングを容易にします。

基本的なパラメータデコレーターの例

パラメータデコレーターは、引数に対して情報を取得し、処理を追加する場面で活用されます。以下の例では、メソッドの特定の引数が呼び出された際に、その情報をログ出力するデコレーターを実装しています。

function LogParameter(target: any, propertyKey: string, parameterIndex: number) {
  const originalMethod = target[propertyKey];

  target[propertyKey] = function (...args: any[]) {
    console.log(`メソッド「${propertyKey}」の第${parameterIndex + 1}引数が使用されました: ${args[parameterIndex]}`);
    return originalMethod.apply(this, args);
  };
}

class Calculator {
  public add(@LogParameter a: number, b: number): number {
    return a + b;
  }
}

const calc = new Calculator();
calc.add(5, 10); // メソッド「add」の第1引数が使用されました: 5

この例では、LogParameterデコレーターが、addメソッドの第1引数に適用されており、引数が利用された際にその内容がログに記録されます。

パラメータバリデーションのデコレーター

次に、メソッドの引数に対してバリデーションを行うデコレーターの例を紹介します。この例では、引数の値が特定の条件を満たさない場合にエラーを発生させます。

function ValidatePositive(target: any, propertyKey: string, parameterIndex: number) {
  const originalMethod = target[propertyKey];

  target[propertyKey] = function (...args: any[]) {
    if (args[parameterIndex] <= 0) {
      throw new Error(`メソッド「${propertyKey}」の第${parameterIndex + 1}引数は正の数でなければなりません`);
    }
    return originalMethod.apply(this, args);
  };
}

class Payment {
  public processPayment(@ValidatePositive amount: number) {
    console.log(`支払処理が行われました: ${amount}円`);
  }
}

const payment = new Payment();
payment.processPayment(100); // 支払処理が行われました: 100円
payment.processPayment(-50); // エラー: メソッド「processPayment」の第1引数は正の数でなければなりません

この例では、ValidatePositiveデコレーターがprocessPaymentメソッドの引数に適用され、引数が0以下の場合にエラーが発生します。これにより、メソッドの引数に対してルールを設定し、データの信頼性を担保できます。

パラメータに基づいて振る舞いを変えるデコレーター

パラメータデコレーターを使用して、引数に基づいてメソッドの振る舞いを動的に変更することも可能です。次の例では、引数が特定の値を持つ場合にメソッドの実行を制御するデコレーターを作成しています。

function AdminOnly(target: any, propertyKey: string, parameterIndex: number) {
  const originalMethod = target[propertyKey];

  target[propertyKey] = function (...args: any[]) {
    const role = args[parameterIndex];
    if (role !== 'admin') {
      throw new Error("この操作は管理者のみ許可されています");
    }
    return originalMethod.apply(this, args);
  };
}

class UserService {
  public deleteUser(@AdminOnly role: string, userId: number) {
    console.log(`ユーザーID: ${userId} が削除されました`);
  }
}

const userService = new UserService();
userService.deleteUser('admin', 123); // ユーザーID: 123 が削除されました
userService.deleteUser('guest', 123); // エラー: この操作は管理者のみ許可されています

この例では、AdminOnlyデコレーターがdeleteUserメソッドに適用され、roleが'admin'でない場合、メソッドの実行が制限されます。これにより、役割に応じてメソッドの振る舞いを制御でき、セキュリティの強化に役立ちます。

パラメータデコレーターを使うことで、引数に関する情報を簡単に管理でき、メソッドの振る舞いを柔軟に変更したり、バリデーションを追加することが可能です。

実際のプロジェクトでのデコレーターの使用例

TypeScriptのデコレーターは、現実のプロジェクトで非常に有用です。特に、コードの繰り返しを削減し、特定の処理を効率的に共通化する場面で大いに役立ちます。フレームワークやライブラリを構築する際、デコレーターを活用することで、簡潔でメンテナンス性の高いコードを書くことができます。

クラスベースのフレームワークにおけるデコレーターの活用

デコレーターは、クラスベースのフレームワークやライブラリでよく使用されます。例えば、TypeScriptを利用してExpressのようなWebフレームワークを作成する場合、デコレーターはルーティングやミドルウェアの設定に利用できます。

function Get(path: string) {
  return function (target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
    // ルートとメソッドの対応を登録する
    console.log(`ルート ${path} にメソッド ${propertyKey} が登録されました`);
  };
}

class MyController {
  @Get("/home")
  public homePage() {
    console.log("ホームページを表示します");
  }
}

const controller = new MyController();
controller.homePage(); // ルート /home にメソッド homePage が登録されました

この例では、Getデコレーターを用いて、homePageメソッドにルート/homeを関連付けています。実際のフレームワークでは、このようなデコレーターを使ってルートの自動登録やHTTPリクエストのハンドリングを実現できます。

認証システムにおけるデコレーターの応用

デコレーターは、認証やアクセス制御のロジックにも活用できます。例えば、ユーザーが特定の権限を持っているかどうかを検証するために、デコレーターを使ってメソッドの実行を制限することが可能です。

function RequireRole(role: string) {
  return function (target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
    const originalMethod = descriptor.value;

    descriptor.value = function (...args: any[]) {
      const userRole = args[0]; // 引数からユーザーの役割を取得
      if (userRole !== role) {
        throw new Error(`メソッド「${propertyKey}」は${role}の権限が必要です`);
      }
      return originalMethod.apply(this, args);
    };

    return descriptor;
  };
}

class AdminActions {
  @RequireRole("admin")
  public deleteAllUsers(role: string) {
    console.log("全ユーザーを削除しました");
  }
}

const admin = new AdminActions();
admin.deleteAllUsers("admin"); // 全ユーザーを削除しました
admin.deleteAllUsers("guest"); // エラー: メソッド「deleteAllUsers」はadminの権限が必要です

この例では、RequireRoleデコレーターを使用して、deleteAllUsersメソッドがadminの権限を持つユーザーのみ実行できるように制限しています。

ログやトラッキングシステムでのデコレーター活用

もう一つのデコレーターの一般的な用途は、ログ記録やトラッキングシステムです。メソッドが呼び出されるたびにその呼び出し内容をログに記録するようにデコレーターを使うことができます。

function LogExecutionTime(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    const start = Date.now();
    const result = originalMethod.apply(this, args);
    const end = Date.now();
    console.log(`${propertyKey}メソッドの実行時間: ${end - start}ms`);
    return result;
  };

  return descriptor;
}

class TaskManager {
  @LogExecutionTime
  public runTask() {
    console.log("タスクを実行中...");
    // タスクの処理をシミュレーション
    for (let i = 0; i < 1000000000; i++) {}
  }
}

const manager = new TaskManager();
manager.runTask(); // タスクの実行時間がログに記録される

この例では、LogExecutionTimeデコレーターを使って、runTaskメソッドの実行時間をログに記録しています。トラッキングやパフォーマンス計測にデコレーターを活用することで、コード全体にわたって一貫した監視機能を簡単に追加できます。

テストフレームワークにおけるデコレーターの使用

デコレーターは、ユニットテストやインテグレーションテストのフレームワークでも便利に使えます。例えば、テストケースに特定の条件を付ける場合や、事前準備・事後処理を統一的に行う場合に役立ちます。

function BeforeEach(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    console.log("テスト前の準備を実行しています...");
    return originalMethod.apply(this, args);
  };

  return descriptor;
}

class MyTest {
  @BeforeEach
  public testMethod() {
    console.log("テストを実行中...");
  }
}

const test = new MyTest();
test.testMethod(); // テスト前の準備を実行しています... テストを実行中...

この例では、BeforeEachデコレーターを用いて、テストメソッドの実行前に準備処理を自動的に追加しています。このように、テストの前後に共通処理を組み込むことで、テストコードを簡潔に保つことができます。

デコレーターは、コードの一貫性を保ちつつ、特定のロジックやパターンを簡潔に適用できるため、実際のプロジェクトで大いに役立ちます。

デコレーターのパフォーマンスへの影響

デコレーターは強力なツールですが、その使用に伴うパフォーマンスへの影響も無視できません。特に、クラス全体やメソッドの多いコードベースにデコレーターを多用する場合、実行時のオーバーヘッドが発生する可能性があります。ここでは、デコレーターがどのようにパフォーマンスに影響を与えるか、そしてそれを最適化する方法について説明します。

デコレーターがパフォーマンスに与える基本的な影響

デコレーターは、クラスやメソッド、プロパティに対して追加の処理を行うため、以下のようなパフォーマンスの影響を引き起こす可能性があります。

メモリ消費の増加：デコレーターが追加のメタデータを保持したり、キャッシュを使用する場合、その分だけメモリが消費されます。
実行時間の増加：メソッドデコレーターやプロパティデコレーターは、メソッドの実行前後に処理を挟むため、そのオーバーヘッドにより実行時間が増加する可能性があります。
複雑性の増加：多くのデコレーターが使用されると、コードの動作が複雑化し、パフォーマンスのボトルネックやデバッグの難易度が増す可能性があります。

デコレーターのパフォーマンス最適化

デコレーターを効率的に使用するための最適化方法をいくつか紹介します。

1. 必要な箇所にのみデコレーターを適用する

デコレーターは強力ですが、すべてのクラスやメソッドに適用するのは避けるべきです。必要な箇所にのみ使用し、最小限の処理を行うことで、パフォーマンスへの影響を軽減できます。たとえば、トラッキングやログ記録が必要な重要なメソッドにのみデコレーターを適用し、他の部分には使わないようにしましょう。

function LogMethod(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    console.log(`メソッド「${propertyKey}」が呼び出されました`);
    return originalMethod.apply(this, args);
  };

  return descriptor;
}

class MathOperations {
  @LogMethod
  public complexCalculation(a: number, b: number): number {
    return a * b;
  }
}

const math = new MathOperations();
math.complexCalculation(5, 10); // 重要な処理にだけデコレーターを適用

この例では、重要なメソッドcomplexCalculationにのみデコレーターを適用し、他のメソッドに対してはデコレーターを使用しません。これにより、パフォーマンスへの影響を最小限に抑えることができます。

2. キャッシュを活用する

キャッシュを使用することで、同じ処理が何度も実行される場合のオーバーヘッドを軽減できます。計算の結果をキャッシュし、同じ引数が渡された際には再計算を省略することで、パフォーマンスが向上します。

function CacheResult(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;
  const cache = new Map<string, any>();

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    const key = JSON.stringify(args);
    if (cache.has(key)) {
      return cache.get(key);
    }
    const result = originalMethod.apply(this, args);
    cache.set(key, result);
    return result;
  };

  return descriptor;
}

class Fibonacci {
  @CacheResult
  public calculate(n: number): number {
    if (n <= 1) return 1;
    return this.calculate(n - 1) + this.calculate(n - 2);
  }
}

const fib = new Fibonacci();
console.log(fib.calculate(40)); // 計算結果がキャッシュされるため、次回以降の呼び出しは高速化される

この例では、CacheResultデコレーターにより、再度同じ計算を行わないようキャッシュすることでパフォーマンスが向上しています。

3. デコレーターの軽量化

デコレーター自体が重い処理を行う場合、そのオーバーヘッドが大きくなります。デコレーター内での処理を可能な限り軽量化し、必要以上に複雑な処理を行わないようにすることが重要です。たとえば、デコレーター内でAPIリクエストやディスクアクセスなどの重い処理を行うのは避けるべきです。

function LightweightLog(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  console.log(`デコレーターはクラス定義時に一度だけ実行されます`);
  return descriptor;
}

class FastClass {
  @LightweightLog
  public fastMethod() {
    console.log("軽量な処理を実行しています");
  }
}

const fast = new FastClass();
fast.fastMethod();

この例では、LightweightLogデコレーターがクラス定義時に一度だけ実行され、メソッドの実行時には最小限のオーバーヘッドにとどめています。

デコレーター使用時の注意点

多用しすぎない：デコレーターの使用は便利ですが、過度に多用するとコードの複雑性が増し、メンテナンスが難しくなる可能性があります。必要最低限に抑え、単一責任の原則に従ってデコレーターを設計しましょう。
パフォーマンステストの実施：デコレーターを使用する場合、特にパフォーマンスが重要なアプリケーションでは、定期的にパフォーマンステストを行い、デコレーターによる影響を測定することが推奨されます。

デコレーターは、プロジェクトの柔軟性を高める非常に強力なツールですが、適切な場所にのみ適用し、オーバーヘッドを最小限に抑えることが重要です。

TypeScriptとデコレーターを使ったデザインパターンの実装

デコレーターは、ソフトウェア設計における多くのデザインパターンをシンプルかつ効果的に実装する手段を提供します。デザインパターンは、よくある設計上の問題に対する再利用可能な解決策を提供し、コードの可読性や保守性を向上させます。ここでは、デコレーターを使っていくつかの代表的なデザインパターンをTypeScriptでどのように実装できるかを紹介します。

1. デコレーター・パターン

デコレーター・パターン自体は、既存のオブジェクトに対して動的に新しい機能を追加するデザインパターンです。TypeScriptのデコレーター機能は、このパターンに基づいており、メソッドやクラスに新しい振る舞いを追加する際に役立ちます。次の例では、メッセージ送信機能に暗号化機能を動的に追加しています。

class MessageSender {
  public send(message: string) {
    console.log(`メッセージ送信: ${message}`);
  }
}

function Encrypt(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;

  descriptor.value = function (message: string) {
    const encryptedMessage = btoa(message); // Base64エンコードによる簡易暗号化
    console.log(`メッセージを暗号化しています: ${encryptedMessage}`);
    originalMethod.apply(this, [encryptedMessage]);
  };

  return descriptor;
}

class SecureMessageSender extends MessageSender {
  @Encrypt
  public send(message: string) {
    super.send(message);
  }
}

const sender = new SecureMessageSender();
sender.send("秘密のメッセージ"); // メッセージを暗号化して送信

この例では、Encryptデコレーターを使用して、メッセージの送信前に暗号化処理を行っています。デコレーター・パターンを活用し、元のメソッドに新しい機能を追加する形で柔軟な設計を実現しています。

2. シングルトン・パターン

シングルトン・パターンは、あるクラスのインスタンスが常に1つしか存在しないことを保証するパターンです。TypeScriptのクラスデコレーターを使って、このパターンを実装することができます。

function Singleton<T extends { new (...args: any[]): {} }>(constructor: T) {
  let instance: any;

  return class extends constructor {
    constructor(...args: any[]) {
      if (!instance) {
        instance = new constructor(...args);
      }
      return instance;
    }
  };
}

@Singleton
class ConfigurationManager {
  public settings: { [key: string]: string } = {};

  constructor() {
    console.log("設定マネージャーが作成されました");
  }
}

const config1 = new ConfigurationManager();
const config2 = new ConfigurationManager();

console.log(config1 === config2); // true, 同じインスタンス

この例では、Singletonデコレーターを適用することで、ConfigurationManagerクラスのインスタンスが1つしか生成されないようにしています。2つのインスタンスを作成しようとしても、常に同じインスタンスが返されることが確認できます。

3. ファクトリー・パターン

ファクトリー・パターンは、オブジェクトの生成をクラスから分離し、生成過程を抽象化するパターンです。デコレーターを使うことで、ファクトリーを使ってインスタンスを生成する際のロジックを簡単に管理できます。

function Factory(classType: any) {
  return function () {
    return new classType();
  };
}

class Car {
  public drive() {
    console.log("車を運転中...");
  }
}

class Truck {
  public drive() {
    console.log("トラックを運転中...");
  }
}

class VehicleFactory {
  @Factory(Car)
  public createCar!: () => Car;

  @Factory(Truck)
  public createTruck!: () => Truck;
}

const factory = new VehicleFactory();
const car = factory.createCar();
car.drive(); // 車を運転中...

const truck = factory.createTruck();
truck.drive(); // トラックを運転中...

この例では、Factoryデコレーターを使用して、createCarとcreateTruckの各メソッドで異なる種類の車両を動的に生成しています。ファクトリー・パターンを簡潔に実装するために、デコレーターを活用しています。

4. オブザーバー・パターン

オブザーバー・パターンは、あるオブジェクトが変化した際に、その変化をリスナーに通知するデザインパターンです。デコレーターを使用することで、リスナーを管理しやすくすることができます。

function Observable(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    console.log(`メソッド「${propertyKey}」が呼び出されました。リスナーに通知します...`);
    originalMethod.apply(this, args);
  };

  return descriptor;
}

class WeatherStation {
  private observers: Function[] = [];

  public addObserver(observer: Function) {
    this.observers.push(observer);
  }

  @Observable
  public changeTemperature(newTemperature: number) {
    console.log(`温度が ${newTemperature} 度に変わりました`);
    this.observers.forEach(observer => observer(newTemperature));
  }
}

const station = new WeatherStation();
station.addObserver((temp: number) => console.log(`リスナーが温度変更を受け取りました: ${temp}`));
station.changeTemperature(25); // 温度変更を通知

この例では、Observableデコレーターを使用して、changeTemperatureメソッドが呼び出された際にリスナーに通知する仕組みを実装しています。オブザーバー・パターンの構造をシンプルに保ちながら、柔軟な通知機能を実現しています。

デザインパターンとデコレーターの組み合わせのメリット

デコレーターを使ったデザインパターンの実装は、以下のような利点があります。

コードの簡潔化: デコレーターを使用することで、パターンの処理をより簡潔に表現でき、メインのビジネスロジックがより明確になります。
再利用性の向上: デコレーターは他のクラスやメソッドにも適用できるため、コードの再利用が容易です。
可読性の向上: デコレーターによってロジックの分離が行われるため、コードの可読性が向上し、メンテナンスが容易になります。

デコレーターを使用してデザインパターンを実装することで、複雑なロジックを簡潔にし、コードの柔軟性や拡張性を高めることが可能です。

実践例：クラスの自動ログ出力機能

実際のプロジェクトでは、クラスメソッドの実行ログを記録することで、デバッグやエラートラッキングを効率化できます。デコレーターを使用して、各メソッドの実行時に自動でログを出力する仕組みを簡単に追加することができます。ここでは、クラスメソッドに対して自動的にログを出力するデコレーターを実装し、その使用例を紹介します。

自動ログ出力デコレーターの実装

以下のコードは、クラス内のメソッドが呼び出された際に、引数や結果を自動的にログ出力するデコレーターを作成しています。

function LogExecution(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    console.log(`メソッド「${propertyKey}」が呼び出されました。引数: ${JSON.stringify(args)}`);
    const result = originalMethod.apply(this, args);
    console.log(`メソッド「${propertyKey}」の実行結果: ${JSON.stringify(result)}`);
    return result;
  };

  return descriptor;
}

class UserService {
  @LogExecution
  public createUser(name: string, age: number) {
    console.log(`ユーザー「${name}」を作成中...`);
    return { id: Math.floor(Math.random() * 1000), name, age };
  }

  @LogExecution
  public deleteUser(userId: number) {
    console.log(`ユーザーID「${userId}」を削除中...`);
    return { success: true };
  }
}

const userService = new UserService();
userService.createUser("山田太郎", 30); 
// メソッド「createUser」が呼び出されました。引数: ["山田太郎",30]
// ユーザー「山田太郎」を作成中...
// メソッド「createUser」の実行結果: {"id":582,"name":"山田太郎","age":30}

userService.deleteUser(582);
// メソッド「deleteUser」が呼び出されました。引数: [582]
// ユーザーID「582」を削除中...
// メソッド「deleteUser」の実行結果: {"success":true}

この例では、LogExecutionデコレーターがcreateUserおよびdeleteUserメソッドに適用されています。メソッドが呼び出されるたびに、引数と実行結果が自動的にログに出力されます。

ログ出力の利便性

この自動ログ出力機能は、以下のような場面で役立ちます。

デバッグの効率化：メソッドがどのような引数で呼び出され、どのような結果が返されているかを容易に追跡できます。
エラートラッキング：エラーが発生した際に、直前のメソッドの実行状況や引数が記録されているため、原因の特定がスムーズになります。
パフォーマンス監視：メソッドの実行回数や結果をログに出力することで、アプリケーションの動作状況を把握することが可能です。

高度な応用: メソッド実行時間の測定

さらに、ログ出力に加えてメソッドの実行時間を計測する機能も追加することができます。次の例では、メソッドの実行時間を記録するデコレーターを実装しています。

function LogExecutionTime(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    const startTime = Date.now();
    const result = originalMethod.apply(this, args);
    const endTime = Date.now();
    console.log(`メソッド「${propertyKey}」の実行時間: ${endTime - startTime}ms`);
    return result;
  };

  return descriptor;
}

class OrderService {
  @LogExecutionTime
  public processOrder(orderId: number) {
    console.log(`注文ID「${orderId}」の処理を開始...`);
    // 処理のシミュレーション
    for (let i = 0; i < 1000000000; i++) {}
    return { success: true };
  }
}

const orderService = new OrderService();
orderService.processOrder(123);
// メソッド「processOrder」の実行時間: 123ms

この例では、LogExecutionTimeデコレーターにより、メソッドの実行にかかる時間がログに記録されます。これにより、パフォーマンスの監視やボトルネックの特定が容易になります。

デコレーターによるコードの簡潔化

このように、デコレーターを利用することで、コードに手を加えることなく、さまざまなメソッドに対して共通の処理を自動的に追加できます。特にログ出力や実行時間の測定といった汎用的な処理を一括して管理できるため、コードのメンテナンス性が向上し、バグの原因特定やパフォーマンス改善にも貢献します。

デコレーターは、共通の処理を簡潔かつ再利用可能な形で実装する強力な手段であり、プロジェクト全体での効率向上に寄与します。

まとめ

本記事では、TypeScriptのデコレーターを使ったクラスのメタプログラミングの実践方法について詳しく解説しました。デコレーターは、クラスやメソッドに対して柔軟に機能を追加でき、コードの再利用性やメンテナンス性を大幅に向上させる強力なツールです。クラスデコレーター、プロパティデコレーター、メソッドデコレーター、パラメータデコレーターを用いることで、さまざまな場面での効率的なプログラミングが実現できます。デザインパターンの実装や実際のプロジェクトでの活用例も踏まえ、デコレーターの利便性と効果を理解し、さらに高度な開発に役立てましょう。