保守性と拡張性を高めるためのSOLID原則とシステム設計
第３話： 開放/閉鎖の原則（１）システムの拡張性を保つ設計方法
（最終更新日：2024.09.15）
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拡張性高く、変更はさせない
開放/閉鎖の原則（OCP）は、ソフトウェア設計において、拡張には開かれ、変更には閉じているべきという考え方だ。
本記事では、OCPを適用することで、システムの拡張性を高め、既存のコードに影響を与えずに新機能を追加する方法を解説する。
クラスやモジュールを柔軟に拡張可能な形で設計するための具体的な手法や、OCPが守られていない場合の問題点についても紹介する。
[目次]
１.開放/閉鎖の原則とは
このセクションでは、開放/閉鎖の原則（Open/Closed Principle, OCP）についての基本的な概念、重要性、そして適用の際のポイントを詳しく説明する。
１.１ 定義
開放/閉鎖の原則は、オブジェクト指向設計における重要なSOLID原則の1つであり、
「クラスやモジュールは拡張に対して開かれており、しかし変更に対しては閉じられているべきである」という原則だ。
この考え方に基づき、既存のコードに影響を与えずに、システムを拡張できるように設計することが推奨されている。
１.２ 「開放」と「閉鎖」の意味
拡張に対して開かれている（Open for extension）:
システムは新しい機能や振る舞いを追加できるように設計されるべきだ。
新たな機能や要件に応じて、システムを柔軟に拡張できるようにすることが求められる。
変更に対して閉じられている（Closed for modification）:
既存のクラスやモジュールのコードは、変更が加わらないようにすべきだ。
既存の機能や挙動をそのまま維持したまま、新しい機能を追加できるように設計されるべきである。
１.３ OCPの重要性
保守性と拡張性の向上:開放/閉鎖の原則を守ることによって、
既存のコードに変更を加えることなく新しい機能を追加できるため、バグの発生リスクが減り、システムの安定性が向上する。
変更の影響範囲の最小化:既存のコードに手を加えないため、他の機能やモジュールへの影響が少なくなり、システム全体の信頼性が高まる。
拡張性を確保:システムが進化する際に、新たな要件や機能を容易に追加できるため、将来的な変更に対応しやすくなる。
インターフェースを介した変更に強い設計を
１.４ OCPの実現手法
継承とポリモーフィズムの活用:OCPを実現するためによく使用されるのが、クラスの継承とポリモーフィズムだ。
基底クラスやインターフェースを定義し、それを拡張または実装することで、新しい機能を追加する。
既存のコードは基底クラスやインターフェースに依存するため、新たなクラスを追加するだけで機能を拡張できる。
戦略パターンやデコレータパターンの利用:
デザインパターンを活用することもOCPを実現する効果的な方法だ。
戦略パターンでは、アルゴリズムの部分を柔軟に差し替えることができ、
デコレータパターンでは、既存のオブジェクトに機能を追加しやすくなる。
１.５ OCPが適用されていない設計例
例えば、ある支払い処理システムで、新しい支払い方法を追加する際、すべての支払いロジックが1つのクラス内に存在していると、
そのクラスを直接変更しなければならない。この場合、既存のコードが変更に対して閉じられておらず、バグが発生しやすくなる。
１.６ OCPを適用した設計例
支払い処理クラスがインターフェースに依存しており、
異なる支払い方法（クレジットカード、PayPalなど）をそれぞれ個別のクラスで実装している場合、
新しい支払い方法を追加する際に既存のコードを変更する必要はなく、単に新しいクラスを追加するだけで済む。
このような設計はOCPに適合している。
インターフェースを介することで、様々な支払い方法に対応
１.７ まとめ
開放/閉鎖の原則は、システムを柔軟かつ拡張可能にするための重要な指針だ。
既存のコードを変更せずに新しい機能を追加できる設計は、システムの保守性を向上させ、変更によるリスクを最小化する。
本セクションでは、OCPの定義とその重要性、そして具体的な実現手法を理解することで、実際の設計に適用できるようにする。
２.システムの拡張性を保つ設計方法
本セクションでは、開放/閉鎖の原則（OCP）に従い、システムの拡張性を確保しながら変更に強い設計を実現する具体的な手法について解説する。 特に、設計上のベストプラクティスやパターン、OCPを適用する際の具体例を紹介し、開発者が直面しがちな問題に対処できるようにする。
２.１ 抽象化による柔軟性の確保
抽象クラスやインターフェースを使う:システムの拡張性を確保するためには、具体的な実装に依存せず、
抽象クラスやインターフェースを使って拡張可能な設計を行うことが重要だ。
これにより、新たな機能や振る舞いを追加する際に既存のコードを変更する必要がなくなる。
依存性の逆転:OCPを守るためには、依存するオブジェクトを具体的な実装ではなく、
インターフェースや抽象クラスに依存させるようにする。これにより、異なる実装に容易に差し替えることが可能になる。
例えば、次のように支払い処理のシステムでPaymentProcessorというインターフェースを定義し、
そのインターフェースを実装するクラスを増やすことで、新しい支払い方法を追加する。
このように設計することで、異なる支払い方法を追加したい場合でもPaymentServiceクラスを変更せず、
新たなPaymentProcessorの実装クラスを追加するだけで対応できる。
インターフェースを用いて様々な支払いに対応
２.２ デザインパターンを活用する
デザインパターンを活用することにより、OCPに従った設計をより容易に実現できる。
以下のようなデザインパターンが拡張性を高めるために役立つ。
戦略パターン（Strategy Pattern）：戦略パターンは、特定のアルゴリズムや振る舞いをインターフェースとして定義し、
実行時にそれを動的に切り替えることができるデザインパターンだ。
このパターンを使用すると、新たな戦略（振る舞い）を追加する際、既存のコードを変更せずに拡張することができる。
例えば、計算方法が異なる税金計算を行うシステムにおいて、各税率計算を戦略パターンで切り替えることで、新たな税計算ロジックを追加できる。
この設計により、新たな税率計算方法を追加する場合でもTaxCalculatorを変更する必要はなく、新しいTaxStrategyを追加するだけで済む。
戦略パターンによるクラスの作成
下記では、定率税と累進課税のインスタンスを生成することで、それぞれの税率を計算できる。 これに、逆進税などの別の税率計算が加わったとしても、上記で作成したStrategyクラス部分に計算のロジックを追加するだけで、簡単に拡張が可能だ。
定率税と累進課税の計算
デコレータパターン（Decorator Pattern）： デコレータパターンは、オブジェクトの機能を拡張するためのパターンだ。 既存のクラスに機能を追加する際、クラス自体を変更することなく、デコレータを用いて動的に振る舞いを追加できる。 例えば、Notificationクラスにメール通知、SMS通知、プッシュ通知といった拡張を行う場合、 デコレータパターンを使用することで柔軟に機能を追加できる。ここでは、デコレーターパターンのコード、実装に関しては詳しく説明しない。
２.３ ポリモーフィズムによる拡張
ポリモーフィズムは、クラスが異なる実装を持ちながら、同じインターフェースを通じて扱える仕組みだ。
ポリモーフィズムを利用することで、同じメソッド呼び出しが異なる振る舞いを実行し、柔軟な拡張を実現する。
例えば、PaymentProcessorのようなインターフェースを使い、それにCreditCardProcessor、PayPalProcessor、BankTransferProcessorを、
各々オーバーライドさせて実装クラスを作成することで、processPayment()という共通のメソッドを呼び出すだけで異なる処理を実行できる。
これにより、新たな支払い方法を追加する際に既存のコードを変更せず、拡張性を保ちつつ設計できる。
２.４ テストの容易性と安全な拡張
テストの自動化:：OCPに従った設計では、変更が既存のコードに影響を与えないため、テストがしやすくなる。
新たなクラスを追加するだけで済む場合、既存のテストケースを変更する必要がなく、新しい機能に対してのみテストを行うことができる。
これにより、システムの拡張が安全に行える。
依存性注入（Dependency Injection, DI）の活用:依存性注入を使って、外部からインスタンスを注入することで、
クラス同士の結合度を低くし、システムの柔軟性を向上させることができる。
DIを活用すれば、新たなクラスやモジュールを追加しても、既存のクラスを変更する必要がなくなる。
DIに関しては、前回の２.３ さらに良い設計へのステップ（依存性注入の活用）で解説した。
２.５ リファクタリングによる段階的な拡張
既存システムに対するリファクタリング：既存のシステムがOCPに違反している場合、適切なリファクタリングを行うことで、OCPに従った設計へ移行する。
例えば、複数の責務を持つ大きなクラスを、インターフェースを導入して分割することで、新たな機能を追加する際に変更を最小限に抑えられるようにする。
２.６ まとめ
システムの拡張性を保つ設計方法として、抽象化、デザインパターンの活用、ポリモーフィズム、依存性注入などを適切に使用することで、
開放/閉鎖の原則に従った設計が可能になる。
これにより、新機能を追加する際に既存のコードを変更せず、保守性や安定性の高いシステムを構築できる。
また、テストのしやすさや安全な拡張が可能となり、長期的な開発でも柔軟に対応できるシステムを作ることができる。
３.まとめ
開放/閉鎖の原則（OCP）は、ソフトウェアが拡張に対して開かれ、変更に対して閉じられているべきという設計原則だ。 新しい機能を追加する際に既存のコードを変更せずに済むため、保守性と安定性が向上する。 システムの拡張性を保つためには、抽象化やインターフェース、ポリモーフィズム、デザインパターンの活用が重要だ。 これらを適用することで、新たな機能を柔軟に追加しつつ、既存のコードに影響を与えない設計が実現できる。 今回学んだ内容を活かして、拡張性の高いシステムを構築しよう。