第81章：Visitor ③：演習（式ツリーの解析：ノード数える/書き換える）🧾🔍

ねらい 🎯✨

Visitor って、「データ構造（構造）はそのままにして、あとから やりたい処理（操作） をどんどん増やせる」考え方だよ〜🙂🧳 今回はその練習として、C#の 式ツリー（Expression Tree） を題材にするよ！🧠⚡ 式ツリーは「コード（式）を、ノードがつながった木構造として扱う」仕組みで、各ノードは Expression の派生型で表されるのがポイント🌳🧩 (Microsoft Learn)

やることは2つ！✌️

1. ノード数を数える（解析）🔢
2. 式ツリーを書き換える（変換）🪄

---

到達目標 ✅🌸

• Expression<Func<int,int>> を作って、式ツリーの形をイメージできる 🧠🌳
• ExpressionVisitor を継承して、全ノードを走査してカウントできる 🔍🔢
• ExpressionVisitor で 式ツリーを書き換えて、結果が同じになることをテストで保証できる 🪄🧪
• 「Visitorが向いてるケース/しんどいケース」を1行で言える 🙂✍️

（今回触る標準API）

• System.Linq.Expressions（式ツリー）🧾
• ExpressionVisitor（Visitorのど真ん中！）🧳 (Microsoft Learn)

---

手順 🧭✨

1) “式ツリー”を1本つくる 🧾🙂

まずは超シンプルな式！ x => (x + 1) * 2 を式ツリーとして持つよ〜🧁

using System;
using System.Linq.Expressions;

Expression<Func<int, int>> expr = x => (x + 1) * 2;

Console.WriteLine(expr);                 // 見た目チェック👀
Console.WriteLine(expr.Body.NodeType);   // Multiply とか出るよ🔎

式ツリーは「ノード（Expression）が木みたいに繋がってる」ので、ノード単位で見たり触ったりできるのが強み🌳✨ (Microsoft Learn)

---

2) Visitorで “ノード数を数える” 🔢🧳

ExpressionVisitor は「式ツリーを走査するためのベースクラス」なので、継承して使うよ〜💡 (Microsoft Learn) ここでは Visit(Expression? node) をオーバーライドして、訪問した回数をカウントするよ🔍

using System.Linq.Expressions;

public sealed class NodeCountingVisitor : ExpressionVisitor
{
    public int Count { get; private set; }

    public override Expression? Visit(Expression? node)
    {
        if (node is null) return null;

        Count++;                 // ここで数えるよ🔢✨
        return base.Visit(node); // 子ノードへ続くよ🌳
    }
}

使ってみる！💨

Expression<Func<int, int>> expr = x => (x + 1) * 2;

var counter = new NodeCountingVisitor();
counter.Visit(expr);

Console.WriteLine(counter.Count);

---

3) テストで “数えた結果” を固定する 🧪✅

「動いたっぽい」だけだと不安なので、MSTestで固めるよ〜🧷🧪 この式だと、ざっくり Lambda / Parameter / Multiply / Add / Parameter / Const(1) / Const(2) で 7回 になるのを期待値にしてみる🙂🔢 （※パラメータは “引数リスト側” と “式本体側” の両方で訪問されるので、回数が増えるのが地味ポイントだよ⚠️）

using Microsoft.VisualStudio.TestTools.UnitTesting;
using System;
using System.Linq.Expressions;

[TestClass]
public class ExpressionVisitorTests
{
    [TestMethod]
    public void NodeCountingVisitor_CountsAllVisitedNodes()
    {
        Expression<Func<int, int>> expr = x => (x + 1) * 2;

        var counter = new NodeCountingVisitor();
        counter.Visit(expr);

        Assert.AreEqual(7, counter.Count);
    }
}

---

4) Visitorで “式ツリーを書き換える” 🪄🔧

次は本番！ (x + 0) * 1 みたいな式を、同じ意味のままスッキリさせたい😆✨

やりたい簡約ルール（まずはint限定でOK）👇

• x + 0 → x
• 0 + x → x
• x * 1 → x
• 1 * x → x
• x * 0 / 0 * x → 0

BinaryExpression（二項演算）を狙って VisitBinary をオーバーライドするよ🎯

using System;
using System.Linq.Expressions;

public sealed class SimplifyArithmeticVisitor : ExpressionVisitor
{
    protected override Expression VisitBinary(BinaryExpression node)
    {
        // まず子を先に簡約してから、自分を簡約するよ🌳✨
        var visited = (BinaryExpression)base.VisitBinary(node);

        if (visited.NodeType == ExpressionType.Add)
        {
            if (IsIntConstant(visited.Right, 0)) return visited.Left;
            if (IsIntConstant(visited.Left, 0)) return visited.Right;
        }

        if (visited.NodeType == ExpressionType.Multiply)
        {
            if (IsIntConstant(visited.Right, 1)) return visited.Left;
            if (IsIntConstant(visited.Left, 1)) return visited.Right;

            if (IsIntConstant(visited.Right, 0) || IsIntConstant(visited.Left, 0))
                return Expression.Constant(0);
        }

        return visited;
    }

    private static bool IsIntConstant(Expression expr, int value)
        => expr is ConstantExpression { Value: int v } && v == value;
}

---

5) 書き換えた結果が “同じ意味” かをテストする 🧪💖

式ツリーは最後に Compile() して実行できるよ〜🚀 （式ツリーを delegate にして動かす感じ！） (Microsoft Learn)

using Microsoft.VisualStudio.TestTools.UnitTesting;
using System;
using System.Linq.Expressions;

[TestClass]
public class SimplifyArithmeticVisitorTests
{
    [TestMethod]
    public void SimplifyArithmeticVisitor_SimplifiesExpression()
    {
        Expression<Func<int, int>> expr = x => (x + 0) * 1;

        var simplified = (Expression<Func<int, int>>)new SimplifyArithmeticVisitor().Visit(expr)!;

        // 形のチェック（スッキリしてる？）👀✨
        Assert.AreEqual(ExpressionType.Parameter, simplified.Body.NodeType);

        // 意味のチェック（同じ値が出る？）🧪✅
        var f1 = expr.Compile();
        var f2 = simplified.Compile();

        foreach (var x in new[] { -2, 0, 5, 123 })
        {
            Assert.AreEqual(f1(x), f2(x));
        }
    }
}

---

6) AI補助（Copilot/Codex）を “安全に” 使うコツ 🤖🧷

Visitorは「コードが正しくても、意味が壊れる」事故が起きがち😵‍💫⚠️ AIに頼むなら、プロンプトに 制約 を入れると安定するよ✨

例👇

• 「ExpressionVisitor を継承して VisitBinary だけで実装して」
• 「int の Add/Multiply だけ対応」
• 「Compile() で同値テストも書いて」
• 「独自フレームワークは作らない（標準だけ）」

このへんを入れると、余計な抽象化が増えにくいよ🙂🪄

---

落とし穴 ⚠️😵

• “意味が同じ” の確認が甘い：見た目がスッキリしても挙動が壊れてることあるよ💥 → Compile() してテスト必須🧪 (Microsoft Learn)
• 型がズレる：Expression.Constant(0) は int だけ想定。decimalやdouble混ざると破綻しやすい💦
• 演算子の種類が多い：AddChecked / MultiplyChecked / Nullable / 演算子オーバーロード…沼がある😇
• Visitorの弱点：構造（要素の種類）が増えると、Visitor側も全部追従が必要になりがち（辛くなるやつ）🧳💦

---

演習 🏃‍♀️💨

次のどれか1つだけやればOK！🌸（欲張らないの大事🙂）

1. ノード数カウンタ強化 🔢✨

   • NodeType ごとの回数も集計して、最後に一覧を出す（例：Addが何回、Constantが何回）📊

2. 簡約ルールを1個追加 🪄

   • x - 0 → x を追加してみる（ExpressionType.Subtract）➖

3. “二重否定” を消す 😵→🙂

   • x => !!(x > 0) を x => (x > 0) に簡約（bool限定）✅

---

チェック ✅🧡

• ExpressionVisitor を継承して、Visit か VisitBinary をオーバーライドできた？🧳
• “解析（数える）” と “変換（書き換える）” を分けて考えられた？🔍🪄
• 書き換え後に Compile() して 同値テスト できた？🧪✨ (Microsoft Learn)
• Visitorが向くのは「構造は固定寄りで、操作が増える」ケース…って言えた？🙂👍