Part 3　ローカル変数と不変 Scope

この章のゴールは、x = 1で型を覚え、あとでxを読めるようにすることです。そのために「変数名 → 型」の対応である型環境（Scope）を導入し、文から文へと縫って渡します。

3-1. 変数を覚える場所（Scope）

x = 1と書いたら「xはInteger（正確には1）」と覚え、あとでxを読んだらその型を返したいです。覚えておく場所が要ります。それがScope（型環境）です。ただの「変数名 → 型」の対応です。

class Scope
  def initialize(locals = {})
    @locals = locals.freeze
  end

  def local(name)        # その名前の型（未束縛なら nil）
    @locals[name]
  end

  def with_local(name, type)   # 束縛を 1 つ足した「新しい」Scope を返す
    Scope.new(@locals.merge(name => type))
  end
end

これは、あなたがコードを読むとき頭の中でやっていることと同じです。x = 1の行を見たら「xは数だな」と覚え、数行下でxが出てきたら「さっきの数」と思い出します。その手元のメモをプログラムが持てるデータにしたのがScopeです。型チェッカーも人間と同じで、変数を見たら「これは何だっけ」と引けるメモが要ります。

ポイントは不変であることです。with_localは元のScopeを変えず、束縛を足した新しいScopeを返します。『しくみ』がtyEnvを破壊せず{ ...tyEnv, x: 型 }とコピーしたのと同じ作法で、これをオブジェクトの形にしました。

なぜわざわざ不変にするのでしょうか。ふつうのHashを@locals[name] = typeと書き換えても動きそうです。理由は少し先取りになります。Part 4、5でifの枝ごとに「この枝の中でだけxはInteger」という別々のメモを持ちたくなるからです。

ここで言うメモは型チェッカーが内部で持つもので、Rubyの実行時の変数スコープとは別の話です。その内部のHashを1個そのつど書き換えていたら、枝の中で足したメモが枝の外の検査にまで残ってしまいます。新しいScopeを返す不変設計なら、「その枝だけのメモ」を元を汚さずに作って渡せます。いまは恩恵が見えにくいですが、この「足しても元は変わらない」性質が、後の章の絞り込み（ナローイング）で効いてきます。

① 型理論：変数の型を覚える対応は型環境tyenvです（『しくみ』3、4章）。
② Rubyだと：ローカル変数は当たり前に使います。x = ...; ...x...。
③ Rigorだと：Scopeは不変です。束縛を足すと新しいScopeを返します（本物のRigorも同じ不変設計）。

3-2. 変数を読む

type_ofに1行足すだけです。ローカル変数の読みは、Scopeから型を引きます。

when Prism::LocalVariableReadNode then scope.local(node.name) || Type::Dynamic.new

type_ofにはscopeを渡すようにします。受け手や引数の型を求める再帰にも一緒に渡します。未束縛ならDynamicです。型エラーを出して脅かしません。

3-3. 文を縫う

ここまでの1 + 2やfoo.barは、評価すると型が出てくるだけでした。でもx = 1は違います。型（1）が出てくるのに加えて、「以後xが使える」という効果をあとに残します。こういう、値を出すだけでなくスコープを増やすものを「文」と呼んでいます。この「あとに効く」分を取りこぼさないために、文を1つ評価して[その文の型,更新後のスコープ]を返す関数を作ります。

def eval_statement(node, scope, diagnostics)
  case node
  when Prism::LocalVariableWriteNode
    type = type_of(node.value, scope, diagnostics)   # 右辺の型を求めて…
    [type, scope.with_local(node.name, type)]        # …その名前に束縛した新スコープを返す
  else
    [type_of(node, scope, diagnostics), scope]       # 代入以外はスコープを変えない
  end
end

checkとannotateは、文の列を上から評価しながらスコープを縫っていきます。前の文で更新したスコープを次の文へ手渡していきます。コードを上から読んで「ここまでで何が定義済みか」を覚えながら進むのと同じ動きです。

scope = Scope.new
program.statements.body.each do |stmt|
  _type, scope = eval_statement(stmt, scope, diagnostics)   # scope を更新して次へ
end

これで「上で定義した変数を、下で使う」が型でも追えます。

check("x = 1\nx + 2")        # OK
check("x = \"a\"\nx + 1")    # ["expected String but got 1"]

① 型理論：文を順に評価し、環境を育てながら進みます（『しくみ』4章の逐次実行）。
② Rubyだと：上から下へ、定義した変数が後ろで見えます。
③ Rigorだと：[型,スコープ]を返して縫います。スコープは不変なので「どこで何が見えるか」がはっきりします。

3-4. 再代入で型が変わる

Rubyでは同じ変数に違う型を入れ直せます。with_localは単に束縛を上書きするので、これも自然に追えます。

# annotate("x = 1\nx\nx = \"a\"\nx\n")
1: 1       # x は 1
2: 1       # x を読む → 1
3: "a"     # x に "a" を再代入
4: "a"     # x を読む → "a"（型が変わった）

check("x = 1\nx = \"a\"\nx + 1")   # 再代入後 x は String → ["expected String but got 1"]

『しくみ』はここで「同一ブロックでの再定義をエラーにするか」を論点にしましたが、学習の本筋ではないとしてシャドーイング処理を省きました。私たちも同じです。再代入は素直に型の差し替えとして扱います。

3-5. この章のまとめ

足したものは、Scope（不変の型環境）とeval_statement（文を縫う）です。check/annotateはスコープを引き回すようになりました。

動かすとこうなります。

Chibirigor.annotate("x = 1\nx\n").each { |a| puts "#{a[:line]}: #{a[:type]}" }
puts Chibirigor.check("x = \"a\"\nx + 1").map { |d| d[:message] }.first

1: 1
2: 1
expected String but got 1

x = 1の型1が次の行のxにそのまま運ばれ（1: 1 → 2: 1）、"a"を再代入したあとのx + 1はString#+に1（Integer）を渡すので型エラーになります。

この章の三つの視点：

	内容
① 型理論（『しくみ』3、4章 / 『TAPL』9、11章）	変数の型を覚える型環境tyenv、文を縫う逐次実行
② Ruby/RBS	再代入で型が変わる、裸の名前は代入が無いとメソッド呼び出し
③ Rigor実装の問題	不変Scopeで「どこで何が見えるか」を明確化、再代入は型差し替え

続編に送ったもの：

ブロックが外側のローカルを捕獲したときの事実無効化（実RigorのFactStoreの機微）
複合代入x += 1（LocalVariableOperatorWriteNode）、多重代入
インスタンス変数、定数、グローバル変数などローカル以外の束縛

演習

x = 1\ny = x\ny + 2が通ることを確かめ、型がどう運ばれたかを追え。
再代入x = 1\nx = "a"の前後でxの型がどう変わるかをannotateで観察せよ。
複合代入x += 1（PrismではLocalVariableOperatorWriteNode）は今のコードでどう扱われるか。対応させるにはeval_statementに何を足せばよいか考えよ。

次章予告（Part 4とPart 5）：ifで型が枝分かれする場合の型（Union）をPart 4で、x.nil?のような条件で型を絞る「ナローイング」をPart 5で作ります。Scopeがここで本領を発揮します。この「再代入で束縛を差し替える」不変スコープの発想は、後の章の絞り込みでも同じように効いてきます。

この章の実装（演習の答え合わせにも） → impls/dist/part3/lib