トレイト/型クラスと辞書渡しの仕組み

多相の三分類とアドホック多相

「多相（polymorphism）」と一口に言っても中身は分かれます。Vec<T> のように同じコードが任意の型で動くのが パラメトリック多相（ジェネリクス）、基底型の代わりに派生型を渡せるのが サブタイプ多相（部分型付け）です。これらに対し アドホック多相（ad-hoc polymorphism） は、同じ名前の演算が 型ごとに別々の実装を持つ ことを指します。a + b が整数では加算、文字列では連結になる、show x が型ごとに違う文字列化をする、といった「名前は同じだが中身が型依存」がアドホック多相です。

問題は「どの実装を呼ぶか」をどう決めるかです。素朴な関数オーバーロードは引数型で実装を選ぶだけで、これを 制約として抽象化 できません。sort を「比較できる任意の型」に対して一度だけ書きたいのに、比較の実装は型ごとに違う——この「ある操作ができる型」という制約を第一級に扱う仕組みが、Haskell の 型クラス（type class） と、Rust の トレイト（trait） です。

型クラス/トレイトは「制約の宣言」

型クラスは、ある型が満たすべき操作の集合に名前を付けた宣言です。Haskell の Eq は「等値比較ができる」という性質を表します。

class Eq a where
  (==) :: a -> a -> Bool

instance Eq Int where
  x == y = primEqInt x y     -- Int 用の実装

elem :: Eq a => a -> [a] -> Bool   -- Eq a => が制約
elem x = any (x ==)

class が制約の宣言、instance がある具体型に対する実装の登録、Eq a => が「a は Eq を満たすこと」という 制約付きシグネチャ です。Rust も構造は同じで、trait が宣言、impl Trait for Type が実装、T: Trait が制約に対応します。重要なのは、型と実装が 分離 されている点です。サブタイピングが「型を定義する瞬間に親を決める」のに対し、型クラスは型の定義とは独立に、後から instance/impl を足せます。これが「自作型に既存の振る舞いを継承なしで後付けできる」という型クラス最大の利点の源です。

辞書渡しへの脱糖：制約は隠れた引数になる

ここからが内部動作の核心です。Eq a => a -> ... という制約付き関数を、コンパイラはどう実行コードに落とすのか。答えが 辞書渡し（dictionary passing） です。コンパイラは各 instance から、その型クラスのメソッド実装を 並べたレコード（辞書, dictionary） を生成します。辞書とは要するに「そのメソッドの関数ポインタを詰めた構造体」で、vtable とほぼ同じものです。

そして Eq a => という制約は、辞書を受け取る余分な引数 に変換されます。脱糖後の擬似コードはこうなります。

// 辞書の型：Eq クラスのメソッド表
EqDict a = { eq : a -> a -> Bool }

// インスタンス Eq Int は値（辞書）になる
dictEqInt : EqDict Int = { eq = primEqInt }

// elem :: Eq a => a -> [a] -> Bool は
// 辞書を明示引数に取る関数へ脱糖される
elem' : EqDict a -> a -> [a] -> Bool
elem' d x xs = any (\y -> d.eq x y) xs

// 呼び出し側は、型に対応する辞書を渡す
elem' dictEqInt 3 [1,2,3]

つまり Eq a => の => は「-> の隠れ版」で、制約一つにつき辞書引数一つが暗黙に挿入されます。制約が (Eq a, Show a) => のように複数あれば辞書も複数渡されます。スーパークラス（class Eq a => Ord a）がある場合、Ord の辞書は Eq の辞書（または取り出す手段）を内部に含み、辞書から辞書をたどれる構造になります。x == y という呼び出しは、最終的に「渡された辞書の eq フィールドを引いて間接呼び出しする」ことへ翻訳されます。

静的ディスパッチ：辞書をコンパイル時に消す

辞書渡しは概念モデルであって、実行時に必ず辞書を持ち回るとは限りません。呼び出し側で 具体型が分かっている なら、コンパイラはどの instance を使うか静的に決定でき、辞書引数の値も定数として確定します。ここで 単相化（monomorphization）が効きます。elem' を Int 専用に特殊化すれば、辞書経由の間接呼び出しは「primEqInt の直接呼び出し」へ畳み込まれ、辞書そのものが消えてインライン化の対象になります。

これが 静的ディスパッチ（static dispatch） です。Rust の fn f<T: Trait>(x: T) やジェネリック境界、Haskell の INLINABLE/特殊化が当てはまり、呼び先が確定するため間接参照ゼロ・インライン可・最速になります。代償は、型ごとにコードが複製されてバイナリが膨らむこと（コードの肥大化）です。

動的ディスパッチ：辞書を実行時に持ち回る

一方、要素の型が実行時まで決まらない、あるいは異なる型を一つのコレクションに混ぜたい場合は、辞書を 値として実行時に運ぶ 必要があります。Rust の &dyn Trait、Haskell の存在型（forall a. Show a => ... を箱に詰める）がこれで、(データへのポインタ, 辞書へのポインタ) という 2語の fat pointer になります。メソッド呼び出しは毎回「辞書のスロットを引いて間接呼び出し」で、まさに辞書渡しモデルがそのまま実行時に現れた姿です。

オーバーロードとの差：戻り値型でも選べる

型クラスが単なる関数オーバーロードより強いのは、戻り値の型や引数に現れない型でも実装を選べる 点です。Haskell の read :: Read a => String -> a は、文字列を「どの型として読むか」を戻り値型で決めます。引数だけ見るオーバーロードでは表現できません。Num a => a を持つ fromInteger も同様で、リテラルがどの数値型になるかは文脈の型で決まります。

これは辞書渡しモデルなら自然に説明できます。どの辞書を渡すかは「呼び出し箇所で必要とされる型」から型推論（Hindley-Milner に制約解決を足したもの）が決めるため、戻り値型からでも辞書を選べるのです。複数の型パラメータをまたぐ制約（多引数型クラス）も、辞書を複数渡すだけで一様に扱えます。

まとめ

アドホック多相は「同じ名前が型ごとに別実装へ届く」性質で、型クラス/トレイトはその制約を第一級に宣言する仕組みです。コンパイラは各 instance をメソッドの関数表＝辞書に変換し、Eq a => のような制約を辞書を受け取る隠れた引数へ脱糖します（辞書渡し）。呼び出し側で型が静的に分かれば辞書は定数化されて消え、単相化とインライン化で最速の静的ディスパッチになります。型が実行時まで不定なら辞書を fat pointer として運ぶ動的ディスパッチになり、異種の実装を混在させられます。型と実装が分離されているため継承なしで後付けでき、戻り値型でも実装を選べる——いずれも「制約＝隠れた辞書引数」という一つの原理から導かれる帰結です。