プログラミング言語のパラダイムの変遷（２）

構造化プログラミングのおさらい

アセンブラ、高級言語をへて構造化プログラミングの手法が確立し、それまでの開発工程から画期的に生産性があがりました。高級言語では、

命令を簡単に（高級に？）表現できるようになり、人（プログラマ）にとってやさしくなり生産性が向上し、
プログラムを部分（サブルーチン）に分けることが可能となり再利用できるように

なりました。さらに、構造化プログラミングの手法で

プログラムを原則として３つの構造（順次実行・条件分岐・繰り返し）で記述することによりプログラムを分かりやすく（保守性を向上）し、
GOTO の無いプログラムとすることで複雑さをさけ品質向上をめざし、
サブルーチンについては、そのルーチンで処理すべきデータをパラメータとして、その値を渡すこととし、
（他のルーチンからは利用できない）ローカル変数を導入したりして、高級言語よりさらにサブルーチンの独立性を強化し

ました。ここで、サブルーチンの独立性について、もうすこし考えてみます。

変数の有効範囲について

サブルーチンの独立性のキーの１つは変数の有効範囲(scope)の制限です。構造化ブログラミング以前でもサブルーチン、すなわち定形の一連の処理をまとめて再利用する、ということは可能でした。しかし多くのプログラミング言語においては（アセンブリ言語がそうであったように）そのルーチンで利用する変数、すなわちメモリ領域は別のルーチンからも参照することができ、それを活用してパラメータを引き渡したり、処理の結果をうけとって別のルーチンで利用したり、ということが行われていました。しかし、このような機構では、どの変数をどのサブルーチンが利用＝変更するかがコード（プログラムのソース）を読んだだけではすぐに理解できず、しばしば バグの温床となってました。つまり、知らない間にある変数が変更されていて、その変更をしらずに元の値として計算を続けると、結果が異なる、というわけです。

上の反省から、構造化プログラミングでは、サブルーチンにおいて、その中だけ有効なローカル変数というものをとりいれ、この変数は他のルーチンからは見られない（ので利用できない）ことから、データの不用意なルーチン間の依存関係を無くすようにしました。どういうことかというと（以下はＣでの例です）、

#include <stdio.h>
int i;        // global var.
void func() {
  i = 1;      // set global var.
}
main() {
  int i;      // local var.
  i = 2;      // set local var.
  printf("%d\n",i);  // print the value of "i"(=2)
  func();     // change gloval but local 
  printf("%d\n",i);  // print i = 1 or 2?
}

上の場合、i は main の中と外のどちらにもありますが、func （Ｃではサブルーチンを関数の形で定義します）で代入している i は外のもの、main の中で代入している i は main の中だけで有効な、外のものとは別の i になっている、というのがポイントです。なので、上のプログラムを実行すると、２を二回出力します。これでは見通しが非常に悪いので、グローバル変数は出来るだけ（使わなくていいなら）つかわない、という方針でプログラミングが出来るように言語仕様が決まっています。

引数の値渡し

さらに、サブルーチンに別のルーチンから引数（プログラミングにおいては、別ルーチンへ渡すパラメータのことを引数と呼ぶことが慣例です）を渡すときには、値渡しをするのが原則です。どういうことかというと；

#include <stdio.h>
int func(int i) {
  i = i*i;      // power of i
  return i;      // return the power-ed "i"
}
main() {
  int i,j;      // local var.
  i = 2;      // set local var.
  printf("%d\n",i);  // print the value of "i"(=2)
  j = func(i);       // CALL func
  printf("%d %d\n",i,j);  // print 2, 4 ("i" is still 2)
}

上を見てみると、func を呼びだしたときに、その時点での引数の値２が（コピーされて）上の関数 func に渡され、元の i は変更されない、ということです。このことによっても、サブルーチン間の依存関係を極力へらしている、というわけです。

逆に見てみると、高級言語以前では、パラメータを渡すときにはメモリ（のアドレス）を渡す場合が多くありましたが、これは上でいうと i という変数を「箱」のまま渡すことになり、そうすると func 内での変更はそのまま影響を受けるわけです。つまり、２回目の出力が "4 4" になってしまう、ということです。これではデータの流れの見通しがたちにくいわけです。

以上のようなことがあるので、（建前として？）サブルーチン間のデータのやりとりは引数を渡して返り値をもらう、関数内ではローカル変数を利用することで、サブルーチン同士の依存性をなくす、ということなのです。

ちなみに、このローカル変数は外部からはみえず、サブルーチンを抜けると無くなってしまう、というのは、多くの場合スタックで実装しているということから起因するわけなのですが、詳細はここでは略します（後に説明するかは未定…）。

構造化言語の課題

しかし、まだ解決できていない課題があります。

グローバル変数の存在

基本はグローバル変数を使わない、ということなのですが、なかなかこの通りにはいかないことがあります。ローカル変数は、その定義してあるサブルーチン内でのみ有効なわけで、それはすなわちサブルーチンを使っている間だけ（メモリ上に）存在する、すなわちサブルーチンから抜けた時点で存在できない、ということです。大規模なプログラムでは（プログラムのおかれている状況をあらわすフラグ等）サブルーチンをまたがって永続的にデータを管理したい場合があるのですが、その場合はグローバル変数を使うほかありません。

しかし、これはそのまま問題につながります。上でも述べている通り、ざっとプログラムを見ただけでは、そのグローバル変数がどこで変更されているかがすぐ分かりにくいからです。これはバグに直結する場合があります。

再利用はほんとうに簡単？

構造化言語環境では、よく使われるサブルーチンはまとめて「ライブラリ」という形でパッケージングされ汎用的に利用されていました。具体的にはデータの変換 (atoi,...) 、数値計算 (sin,cos,...)、入出力等です。しかし、それらは実際にプログラミングされるコード全体からすると微々たるもので、より大規模なソフトウェア開発での再利用の必要性が認識されていました。

これらの要求から、オブジェクト指向へとつながっていきます。

抽象データ型からオブジェクト指向へ

プログラムを構造化すると、その処理対象となるデータについても、たんなる変数というだけではなく、一連の処理の対象になるデータはまとめて構造をもたせて意味をもたせる、ということでさらにプログラムが書きやすく見やすくなることが期待出来ます。VBでは構造体 (structure) や、それにより実装されるリスト、二分木等のデータ型がそれに対応します。

狭義の抽象データ型とは、上でいうリストなどの、構造体などの機構を利用してつくられる、現実の対象をイメージとして捉えやすくした＝抽象化した型のことをさします。

さらにこれを一歩すすめると、プログラムを仮想的に「もの＝オブジェクト」のあつまりとして、そのオブジェクトの中身は一切関知せず、あくまでもその外部仕様のみをお互いに知っており、それらオブジェクトの間の情報のやりとりで処理をすすめていく、という考え方がでてきました。この場合、それぞれのオブジェクトがしっかりと設計されていれば、相互に干渉することはないので、プログラムが機能的にきちんと分離されます。さらに、機能がはっきりしているのですからそれを部品化して再利用するのも容易になるでしょう。

Xerox PARC の Smalltalk はこの思想（？）を忠実に実現しようとしたもので、とくに GUI (Graphical User Interface) を開発する上で、部品化という意味でのとの相性（？）がよかったことで受け入れられることとなり、その流れが C++, Objective-C, Java などにつながっています。

オブジェクト指向の特徴

つまり（逆説的になりますが）オブジェクト指向プログラミングとは

グローバル変数を使わなくてすむ仕組みと、
共通サブルーチン以外の再利用を可能にする仕組み

が備わっていることになります。プログラムを整理する仕組みといえなくもないです。

その具体的な仕組みなのですが、

クラス (class)
継承 (inheritance)
多態性 (polymorphism)

とよく言われます。これらについて簡単に述べます。

クラスとは？

クラスとはオブジェクトの性質などといわれますが、プログラミング手法として見ると、関連性の強い（グローバル変数におかれるべき）データと、そのデータにたいする操作（サブルーチン）をカプセル化、すなわち１つにまとめて粒の大きいプログラミングの部品を作る仕組みです。この仕組みを使うことで、それまでばらばらにあったサブルーチンとそれに関連する変数をまとめて整理することができます。

継承と多態性

継承と多態性は、動物の分類・進化などにたとえられることがよくあります。つまり、人も馬も哺乳類の性質を持つので哺乳類の派生とすればよい、というのが継承で、犬もセミも鳴くのだからとりあえず生き物は鳴くものとしておいて、鳴き方をそれぞれの実装によって区別するのが多態性というものです。

しかし、これもまたプログラミング手法としてみると、構造化言語ではうまくまとめて記述することが出来なかった似て非なるコードを一本化してまとめる ための仕組みです。この仕組みを利用することで、似て非なるコードの「非なる」差分だけをコーディングすることが出来るようになり、コードの無駄をはぶき汎用性の高い部品とすることができ、再利用がしやすくなる、というわけです。

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