はじめに

TypeScriptの型システムはチューリング完全であり、型だけで複雑な計算を行うことができます。この「型レベルプログラミング」を習得することで、ライブラリが提供する高度な型定義を理解し、自分自身でも堅牢な型を設計できるようになります。

本記事では、再帰的な型定義、型レベルでの文字列操作・数値操作、タプルの型操作といった高度なテクニックを解説します。さらに、世界中の開発者が挑戦する「type-challenges」の問題を通じて、実践的な型パズルの解法を学びます。

この記事を読み終えると、以下のことができるようになります。

  • 再帰的な型定義を設計・実装できる
  • Template Literal Typesを使った型レベルの文字列操作ができる
  • タプル型を操作する高度な型を構築できる
  • type-challengesの問題を解くための思考パターンを身につける
  • 有名ライブラリの型定義を読み解ける

前提条件

前提知識

本記事は、以下の知識を前提としています。

  • TypeScriptの基本的な型注釈
  • ジェネリクスの基本構文と制約(extends
  • Conditional Types(条件付き型)とinferキーワードの基礎
  • Mapped Types(マップ型)の基本

これらの前提知識が不足している場合は、先に以下の記事を参照することをおすすめします。

動作確認環境

ツール バージョン
Node.js 20.x以上
TypeScript 5.7以上
VS Code 最新版

本記事のサンプルコードは、TypeScript Playgroundで動作確認できます。strictNullChecksstrictモードを有効にした状態で試してください。

期待される結果

本記事のコードを実行すると、以下の動作を確認できます。

  • 再帰型が複雑なネスト構造を正しく処理する
  • 文字列型が型レベルで分割・結合される
  • タプル型から要素の抽出・追加・削除が行われる

TypeScript型レベルプログラミングとは

型レベルプログラミングとは、TypeScriptの型システムを使って「型の上で計算を行う」プログラミング手法です。通常のプログラムは実行時に値を操作しますが、型レベルプログラムはコンパイル時に型を操作します。

graph LR
    subgraph "値レベル(ランタイム)"
        A[入力値] --> B[関数]
        B --> C[出力値]
    end
    subgraph "型レベル(コンパイル時)"
        D[入力型] --> E[型演算]
        E --> F[出力型]
    end

型レベルプログラミングのユースケース

型レベルプログラミングは、以下のような場面で活用されます。

  1. APIレスポンスの型安全な変換: ネストしたオブジェクトのキーをキャメルケースに変換
  2. ルーティング型の自動生成: URLパターンからパラメータ型を抽出
  3. ORMのクエリビルダー: SQLクエリに対応した型を自動推論
  4. 状態管理ライブラリ: アクションとリデューサーの型を連動

再帰的な型定義

TypeScriptでは、型が自分自身を参照する「再帰型」を定義できます。再帰型は、ネストしたデータ構造やリスト操作など、深さが不定の構造を扱う際に不可欠です。

基本的な再帰型

JSON値を表現する型は、再帰型の典型的な例です。

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type JsonValue = 
  | string 
  | number 
  | boolean 
  | null 
  | JsonValue[] 
  | { [key: string]: JsonValue };

// 使用例
const config: JsonValue = {
  name: "app",
  version: 1,
  features: ["auth", "logging"],
  settings: {
    debug: true,
    nested: {
      level: 2
    }
  }
};

DeepReadonly型の実装

オブジェクトのすべてのプロパティを再帰的に読み取り専用にするDeepReadonly型を実装してみましょう。

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type DeepReadonly<T> = T extends (infer U)[]
  ? ReadonlyArray<DeepReadonly<U>>
  : T extends object
    ? { readonly [K in keyof T]: DeepReadonly<T[K]> }
    : T;

// 使用例
type User = {
  name: string;
  address: {
    city: string;
    zip: number;
  };
  tags: string[];
};

type ReadonlyUser = DeepReadonly<User>;
// 結果:
// {
//   readonly name: string;
//   readonly address: {
//     readonly city: string;
//     readonly zip: number;
//   };
//   readonly tags: readonly string[];
// }

この型は以下のように動作します。

  1. Tが配列の場合、ReadonlyArrayでラップし、要素型に再帰適用
  2. Tがオブジェクトの場合、すべてのプロパティをreadonlyにし、値に再帰適用
  3. それ以外(プリミティブ型)の場合、そのまま返す

DeepPartial型の実装

同様に、すべてのプロパティを再帰的にオプショナルにする型も実装できます。

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type DeepPartial<T> = T extends (infer U)[]
  ? DeepPartial<U>[]
  : T extends object
    ? { [K in keyof T]?: DeepPartial<T[K]> }
    : T;

// 使用例
type Settings = {
  theme: {
    primary: string;
    secondary: string;
  };
  notifications: {
    email: boolean;
    push: boolean;
  };
};

type PartialSettings = DeepPartial<Settings>;
// すべてのプロパティがオプショナルになる

const partial: PartialSettings = {
  theme: {
    primary: "#000"
    // secondary は省略可能
  }
  // notifications も省略可能
};

再帰の深さ制限

TypeScriptには再帰の深さ制限があります(バージョンや設定により異なりますが、おおむね50〜100程度)。深すぎる再帰は「Type instantiation is excessively deep and possibly infinite」エラーを引き起こします。

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// 再帰カウンタを使って深さを制限する例
type DeepReadonlyWithLimit<T, Depth extends number[] = []> = 
  Depth["length"] extends 10
    ? T  // 深さ10で再帰を停止
    : T extends (infer U)[]
      ? ReadonlyArray<DeepReadonlyWithLimit<U, [...Depth, 0]>>
      : T extends object
        ? { readonly [K in keyof T]: DeepReadonlyWithLimit<T[K], [...Depth, 0]> }
        : T;

型レベルでのTypeScript文字列操作

TypeScript 4.1で導入されたTemplate Literal Types(テンプレートリテラル型)により、型レベルで文字列を操作できるようになりました。これにより、文字列パターンに基づいた型安全な処理が可能です。

Template Literal Typesの基本

Template Literal Typesは、文字列リテラル型をテンプレートとして組み合わせます。

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type Greeting = `Hello, ${string}!`;

const valid: Greeting = "Hello, World!";  // OK
const invalid: Greeting = "Hi, World!";   // エラー

組み込みの文字列操作型

TypeScriptは、文字列を操作するための組み込み型を提供しています。

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type Upper = Uppercase<"hello">;       // "HELLO"
type Lower = Lowercase<"HELLO">;       // "hello"
type Cap = Capitalize<"hello">;        // "Hello"
type Uncap = Uncapitalize<"Hello">;    // "hello"

文字列からユニオン型を生成

Template Literal Typesとユニオン型を組み合わせると、複数の文字列パターンを生成できます。

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type HttpMethod = "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE";
type ApiEndpoint = "/users" | "/posts" | "/comments";

type ApiRoute = `${HttpMethod} ${ApiEndpoint}`;
// 結果: 
// "GET /users" | "GET /posts" | "GET /comments" |
// "POST /users" | "POST /posts" | "POST /comments" |
// "PUT /users" | "PUT /posts" | "PUT /comments" |
// "DELETE /users" | "DELETE /posts" | "DELETE /comments"

文字列の分割(Split型)

文字列を特定の区切り文字で分割する型を実装できます。

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type Split<
  S extends string,
  D extends string
> = S extends `${infer Head}${D}${infer Tail}`
  ? [Head, ...Split<Tail, D>]
  : S extends ""
    ? []
    : [S];

type Result = Split<"a-b-c", "-">;  // ["a", "b", "c"]
type Words = Split<"hello world", " ">;  // ["hello", "world"]

この型の動作を解説します。

  1. 文字列SHead + D + Tailのパターンにマッチする場合、Headを配列に追加し、Tailに再帰
  2. 空文字列の場合、空配列を返す
  3. 区切り文字が見つからない場合、残りの文字列を配列に入れて返す

キャメルケースからスネークケースへの変換

実務でよく使われる、命名規則の変換を型レベルで実装できます。

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type CamelToSnake<S extends string> = 
  S extends `${infer Head}${infer Tail}`
    ? Head extends Uppercase<Head>
      ? Head extends Lowercase<Head>
        ? `${Head}${CamelToSnake<Tail>}`
        : `_${Lowercase<Head>}${CamelToSnake<Tail>}`
      : `${Head}${CamelToSnake<Tail>}`
    : S;

type Result = CamelToSnake<"getUserById">;  // "get_user_by_id"
type Result2 = CamelToSnake<"XMLHttpRequest">;  // "_x_m_l_http_request"

URLパスからパラメータを抽出

Next.jsやExpressのようなルーティングで、パスパラメータを型として抽出できます。

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type ExtractParams<Path extends string> = 
  Path extends `${string}:${infer Param}/${infer Rest}`
    ? Param | ExtractParams<`/${Rest}`>
    : Path extends `${string}:${infer Param}`
      ? Param
      : never;

type Params = ExtractParams<"/users/:userId/posts/:postId">;
// 結果: "userId" | "postId"

// オブジェクト型に変換
type ParamsObject<Path extends string> = {
  [K in ExtractParams<Path>]: string;
};

type UserPostParams = ParamsObject<"/users/:userId/posts/:postId">;
// 結果: { userId: string; postId: string }

型レベルでのTypeScript数値操作

TypeScriptの型システムでは、数値を直接加算することはできません。しかし、タプルの長さを利用することで、型レベルでの数値操作を実現できます。

タプル長を使った数値表現

タプルのlengthプロパティは具体的な数値リテラル型として推論されます。

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type Length<T extends readonly unknown[]> = T["length"];

type L1 = Length<[1, 2, 3]>;  // 3
type L2 = Length<[]>;         // 0

加算の実装

2つの数値を加算するには、対応する長さのタプルを結合します。

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type BuildTuple<
  N extends number,
  T extends unknown[] = []
> = T["length"] extends N
  ? T
  : BuildTuple<N, [...T, unknown]>;

type Add<A extends number, B extends number> = 
  [...BuildTuple<A>, ...BuildTuple<B>]["length"];

type Sum = Add<3, 5>;  // 8
type Sum2 = Add<10, 20>;  // 30

BuildTuple型は、指定された数値Nと同じ長さのタプルを構築します。2つのタプルをスプレッドで結合し、その長さを取得することで加算を実現しています。

減算の実装

減算は、タプルから要素を取り除くことで実現します。

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type Subtract<A extends number, B extends number> = 
  BuildTuple<A> extends [...BuildTuple<B>, ...infer Rest]
    ? Rest["length"]
    : never;

type Diff = Subtract<10, 3>;  // 7
type Diff2 = Subtract<5, 5>;  // 0

比較演算の実装

2つの数値を比較する型も実装できます。

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type IsGreaterThan<
  A extends number,
  B extends number,
  Counter extends unknown[] = []
> = Counter["length"] extends A
  ? false
  : Counter["length"] extends B
    ? true
    : IsGreaterThan<A, B, [...Counter, unknown]>;

type GT1 = IsGreaterThan<5, 3>;  // true
type GT2 = IsGreaterThan<3, 5>;  // false
type GT3 = IsGreaterThan<5, 5>;  // false

範囲型の生成

特定の範囲の数値をユニオン型として生成できます。

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type Range<
  Start extends number,
  End extends number,
  Result extends number[] = [],
  Counter extends unknown[] = BuildTuple<Start>
> = Counter["length"] extends End
  ? [...Result, End][number]
  : Range<
      Start,
      End,
      [...Result, Counter["length"]],
      [...Counter, unknown]
    >;

type OneToFive = Range<1, 5>;  // 1 | 2 | 3 | 4 | 5
type ZeroToThree = Range<0, 3>;  // 0 | 1 | 2 | 3

タプルの型操作

タプル型は、固定長の配列を表現し、各要素が異なる型を持つことができます。型レベルプログラミングでは、タプルを「型のリスト」として扱い、さまざまな操作を行います。

先頭要素の取得(Head)

タプルの先頭要素を取得する型です。

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type Head<T extends readonly unknown[]> = 
  T extends readonly [infer First, ...unknown[]]
    ? First
    : never;

type H1 = Head<[1, 2, 3]>;  // 1
type H2 = Head<["a", "b"]>;  // "a"
type H3 = Head<[]>;  // never

末尾要素の取得(Last)

タプルの末尾要素を取得する型です。

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type Last<T extends readonly unknown[]> = 
  T extends readonly [...unknown[], infer L]
    ? L
    : never;

type L1 = Last<[1, 2, 3]>;  // 3
type L2 = Last<["a", "b", "c"]>;  // "c"

先頭要素の削除(Tail)

タプルから先頭要素を除いた残りを取得します。

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type Tail<T extends readonly unknown[]> = 
  T extends readonly [unknown, ...infer Rest]
    ? Rest
    : [];

type T1 = Tail<[1, 2, 3]>;  // [2, 3]
type T2 = Tail<["a"]>;  // []

末尾要素の削除(Init)

タプルから末尾要素を除いた残りを取得します。

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type Init<T extends readonly unknown[]> = 
  T extends readonly [...infer Rest, unknown]
    ? Rest
    : [];

type I1 = Init<[1, 2, 3]>;  // [1, 2]
type I2 = Init<["a"]>;  // []

要素の追加(Push / Unshift)

タプルの末尾または先頭に要素を追加します。

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type Push<T extends readonly unknown[], V> = [...T, V];
type Unshift<T extends readonly unknown[], V> = [V, ...T];

type P1 = Push<[1, 2], 3>;  // [1, 2, 3]
type U1 = Unshift<[2, 3], 1>;  // [1, 2, 3]

タプルの反転(Reverse)

タプルの要素順を反転させます。

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type Reverse<T extends readonly unknown[]> = 
  T extends readonly [infer First, ...infer Rest]
    ? [...Reverse<Rest>, First]
    : [];

type R1 = Reverse<[1, 2, 3]>;  // [3, 2, 1]
type R2 = Reverse<["a", "b", "c"]>;  // ["c", "b", "a"]

タプルの結合(Concat)

2つのタプルを結合します。

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type Concat<
  T extends readonly unknown[],
  U extends readonly unknown[]
> = [...T, ...U];

type C1 = Concat<[1, 2], [3, 4]>;  // [1, 2, 3, 4]

タプルからユニオン型への変換

タプルのすべての要素をユニオン型として抽出します。

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type TupleToUnion<T extends readonly unknown[]> = T[number];

type TU1 = TupleToUnion<[1, 2, 3]>;  // 1 | 2 | 3
type TU2 = TupleToUnion<["a", "b", "c"]>;  // "a" | "b" | "c"

Flatten型の実装

ネストした配列を平坦化する型を実装します。

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type Flatten<T extends readonly unknown[]> = 
  T extends readonly [infer First, ...infer Rest]
    ? First extends readonly unknown[]
      ? [...Flatten<First>, ...Flatten<Rest>]
      : [First, ...Flatten<Rest>]
    : [];

type F1 = Flatten<[1, [2, 3], [4, [5, 6]]]>;  
// [1, 2, 3, 4, 5, 6]

type-challengesで学ぶTypeScript型パズル

type-challengesは、TypeScriptの型システムを学ぶための問題集です。47,000以上のスターを獲得しており、型レベルプログラミングのスキルを磨くための最良のリソースの一つです。

type-challengesの始め方

type-challengesに取り組む方法は複数あります。

  1. TypeScript Playground: プラグインをインストールして挑戦
  2. VS Code拡張機能: ローカル環境で挑戦
  3. GitHubリポジトリ: クローンしてローカルで解く

難易度別の構成

type-challengesは以下の難易度で構成されています。

難易度 問題数 説明
Warm-up 1 最初の一歩
Easy 13 基本的な型操作
Medium 100+ 実務レベルの型操作
Hard 40+ ライブラリレベルの型操作
Extreme 30+ 型システムの限界に挑戦

Easy問題の解法

いくつかの代表的な問題を解いてみましょう。

Pick型の実装

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// 問題: Pickを自分で実装せよ
type MyPick<T, K extends keyof T> = {
  [P in K]: T[P];
};

// テスト
interface Todo {
  title: string;
  description: string;
  completed: boolean;
}

type TodoPreview = MyPick<Todo, "title" | "completed">;
// { title: string; completed: boolean }

Readonly型の実装

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// 問題: Readonlyを自分で実装せよ
type MyReadonly<T> = {
  readonly [K in keyof T]: T[K];
};

// テスト
type ReadonlyTodo = MyReadonly<Todo>;
// { readonly title: string; readonly description: string; readonly completed: boolean }

Tuple to Object

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// 問題: タプルの要素をキーと値に持つオブジェクト型を作成せよ
type TupleToObject<T extends readonly PropertyKey[]> = {
  [K in T[number]]: K;
};

// テスト
const tuple = ["tesla", "model 3", "model X"] as const;
type Result = TupleToObject<typeof tuple>;
// { tesla: "tesla"; "model 3": "model 3"; "model X": "model X" }

Medium問題の解法

Get Return Type

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// 問題: 関数型から戻り値の型を抽出せよ(ReturnTypeの実装)
type MyReturnType<T extends (...args: unknown[]) => unknown> = 
  T extends (...args: unknown[]) => infer R
    ? R
    : never;

// テスト
const fn = () => ({ name: "test", age: 25 });
type FnReturn = MyReturnType<typeof fn>;
// { name: string; age: number }

Omit型の実装

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// 問題: Omitを自分で実装せよ
type MyOmit<T, K extends keyof T> = {
  [P in keyof T as P extends K ? never : P]: T[P];
};

// テスト
type TodoWithoutDescription = MyOmit<Todo, "description">;
// { title: string; completed: boolean }

ポイントはas句によるキーのリマッピングです。除外したいキーをneverにすることで、そのプロパティを出力から除外しています。

Trim型の実装

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// 問題: 文字列の両端から空白を除去する型を実装せよ
type TrimLeft<S extends string> = 
  S extends `${" " | "\n" | "\t"}${infer Rest}`
    ? TrimLeft<Rest>
    : S;

type TrimRight<S extends string> = 
  S extends `${infer Rest}${" " | "\n" | "\t"}`
    ? TrimRight<Rest>
    : S;

type Trim<S extends string> = TrimRight<TrimLeft<S>>;

// テスト
type Trimmed = Trim<"  Hello World  ">;  // "Hello World"

Hard問題の解法

CamelCase型の実装

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// 問題: スネークケースをキャメルケースに変換せよ
type CamelCase<S extends string> = 
  S extends `${infer Head}_${infer Tail}`
    ? `${Lowercase<Head>}${CamelCase<Capitalize<Tail>>}`
    : Lowercase<S>;

// テスト
type CC1 = CamelCase<"hello_world">;  // "helloWorld"
type CC2 = CamelCase<"foo_bar_baz">;  // "fooBarBaz"

ParseURLParams型の実装

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// 問題: URLパターンからパラメータを抽出せよ
type ParseURLParams<T extends string> = 
  T extends `${string}:${infer Param}/${infer Rest}`
    ? Param | ParseURLParams<Rest>
    : T extends `${string}:${infer Param}`
      ? Param
      : never;

// テスト
type Params = ParseURLParams<"/posts/:id/comments/:commentId">;
// "id" | "commentId"

型パズルを解くための思考パターン

type-challengesを解く際に役立つ思考パターンをまとめます。

graph TD
    A[問題を理解] --> B{入力型の構造は?}
    B -->|オブジェクト| C[Mapped Types]
    B -->|文字列| D[Template Literal Types]
    B -->|タプル/配列| E[inferとスプレッド]
    B -->|ユニオン| F[Distributive Conditional Types]
    C --> G{変換が必要?}
    D --> H{パターンマッチ?}
    E --> I{再帰が必要?}
    F --> J{フィルタリング?}
    G -->|Yes| K[as句でリマップ]
    H -->|Yes| L[inferで抽出]
    I -->|Yes| M[再帰型定義]
    J -->|Yes| N[Exclude/Extract]
  1. 入力型の構造を把握する: オブジェクト、配列、文字列、ユニオンのいずれか
  2. 出力型の形を考える: 何を生成したいのか
  3. パターンマッチを使う: extendsinferで構造を分解
  4. 再帰を検討する: ネストや繰り返しがある場合
  5. エッジケースを考慮する: 空配列、空文字列、neverの扱い

実践的なTypeScript型レベルプログラミング例

ここでは、実務で役立つ型レベルプログラミングの例を紹介します。

オブジェクトのキーをキャメルケースに変換

APIレスポンスがスネークケースで、フロントエンドでキャメルケースに変換したい場合に使えます。

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type SnakeToCamel<S extends string> = 
  S extends `${infer Head}_${infer Tail}`
    ? `${Head}${Capitalize<SnakeToCamel<Tail>>}`
    : S;

type CamelizeKeys<T> = T extends readonly unknown[]
  ? { [K in keyof T]: CamelizeKeys<T[K]> }
  : T extends object
    ? {
        [K in keyof T as K extends string ? SnakeToCamel<K> : K]: CamelizeKeys<T[K]>
      }
    : T;

// 使用例
type ApiResponse = {
  user_id: number;
  user_name: string;
  created_at: string;
  profile_data: {
    avatar_url: string;
    display_name: string;
  };
};

type CamelizedResponse = CamelizeKeys<ApiResponse>;
// {
//   userId: number;
//   userName: string;
//   createdAt: string;
//   profileData: {
//     avatarUrl: string;
//     displayName: string;
//   };
// }

型安全なイベントエミッター

イベント名と引数の型を厳密に管理できるイベントエミッターの型です。

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type EventMap = {
  click: { x: number; y: number };
  keydown: { key: string; code: string };
  resize: { width: number; height: number };
};

type EventEmitter<T extends Record<string, unknown>> = {
  on<K extends keyof T>(
    event: K,
    handler: (payload: T[K]) => void
  ): void;
  emit<K extends keyof T>(
    event: K,
    payload: T[K]
  ): void;
};

// 使用例(型チェックのみ)
declare const emitter: EventEmitter<EventMap>;

emitter.on("click", (payload) => {
  console.log(payload.x, payload.y);  // 型安全
});

emitter.emit("keydown", { key: "Enter", code: "Enter" });  // OK
// emitter.emit("keydown", { invalid: true });  // エラー

パスからネストしたプロパティ型を取得

Lodashのget関数のような、ドット記法でネストしたプロパティにアクセスする際の型です。

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type GetProperty<T, Path extends string> = 
  Path extends `${infer Key}.${infer Rest}`
    ? Key extends keyof T
      ? GetProperty<T[Key], Rest>
      : never
    : Path extends keyof T
      ? T[Path]
      : never;

// 使用例
type Data = {
  user: {
    profile: {
      name: string;
      age: number;
    };
    settings: {
      theme: "light" | "dark";
    };
  };
};

type UserName = GetProperty<Data, "user.profile.name">;  // string
type Theme = GetProperty<Data, "user.settings.theme">;   // "light" | "dark"

まとめ

本記事では、TypeScriptの型レベルプログラミングについて、以下の内容を解説しました。

  • 再帰的な型定義: DeepReadonlyDeepPartialなど、ネスト構造を処理する型
  • 型レベルでの文字列操作: Template Literal Typesを使った分割、結合、変換
  • 型レベルでの数値操作: タプル長を利用した加算、減算、比較
  • タプルの型操作: HeadLastReverseFlattenなどの操作
  • type-challenges: 実践的な型パズルを通じた学習方法

型レベルプログラミングは、ライブラリの型定義を読み解いたり、自分のプロジェクトで高度な型安全性を実現したりするために不可欠なスキルです。type-challengesに継続的に取り組むことで、TypeScriptの型システムへの理解を深め、より堅牢なコードを書けるようになります。

参考リンク