派生と継承と仮想関数
前回の派生と継承のイメージを改めて記載する。
// 基底クラス
class Person {
private:
char name[ 20 ] ;
int age ;
public:
Person( const char s[] , int x )
: age( x ) {
strcpy( name , s ) ;
}
void print() {
printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
}
} ;
// 派生クラス(Student は Person から派生)
class Student : public Person {
private:
char dep[ 20 ] ;
int grade ;
public:
Student( const char s[] , int x ,
const char d[] , int g )
: Person( s , x ) // 基底クラスのコンストラクタ
{ // 追加された処理
strcpy( dep , d ) ;
grade = g ;
}
void print() {
Person::print() ; // 基底クラスPersonで名前と年齢を表示
printf( "- %s %d\n" , dep , grade ) ;
}
} ;
int main() {
Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
Student yama( "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
Student nomu( "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ;
saitoh.print() ; // 表示 t-saitoh 55
yama.print() ; // 表示 yamada 21
// - ES 1
nomu.print() ; // 表示 nomura 22
return 0 ; // - PS 2
}
このような処理でのデータ構造は、次のようなイメージで表される。
派生クラスでの問題提起
基底クラスのオブジェクトと、派生クラスのオブジェクトを混在してプログラムを記述したらどうなるであろうか？
上記の例では、Person オブジェクトと、Student オブジェクトがあったが、それをひとまとめで扱いたいこともある。
以下の処理では、Person型の saitoh と、Student 型の yama, nomu を、一つの table[] にまとめている。
int main() {
Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
Student yama( "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
Student nomu( "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ;
Person* table[3] = {
&saitoh , &yama , &nomu ,
} ;
for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
table[ i ]->print() ;
}
return 0 ;
}
C++では、Personへのポインタの配列に代入する時、Student型ポインタは、その基底クラスへのポインタとしても扱える。ただし、このように記述すると、table[] には、Person クラスのデータして扱われる。
このため、このプログラムを動かすと、以下のように、名前と年齢だけが3人分表示される。
t-saitoh 55 yamada 21 nomura 22
派生した型に応じた処理
上記のプログラムでは、 Person* table[] に、Person*型,Student*型を混在して保存をした。しかし、Person*として呼び出されると、yama のデータを表示しても、所属・学年は表示されない。上記のプログラムで、所属と名前を表示することはできないのだろうか？
// 混在したPersonを表示 for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) table[i]->print() ; // Student は、所属と名前を表示して欲しい t-saitoh 55 yamada 21 - ES 1 nomura 22 - PS 2
上記のプログラムでは、Person型では、後でStudent型と区別ができないと困るので、Person型に、Person型(=0)なのか、Student型(=1)なのか区別するための type という型の識別番号を追加し、type=1ならば、Student型として扱うようにしてみた。
// 基底クラス
class Person {
private:
int type ; // 型識別情報
char name[ 20 ] ;
int age ;
public:
Person( int tp , const char s[] , int x )
: type( tp ) , age( x ) {
strcpy( name , s ) ;
}
int type_person() { return type ; }
void print() {
printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
}
} ;
// 派生クラス(Student は Person から派生)
class Student : public Person {
private:
char dep[ 20 ] ;
int grade ;
public:
Student( int tp , const char s[] , int x ,
const char d[] , int g )
: Person( tp , s , x ) // 基底クラスのコンストラクタ
{ // 追加された処理
strcpy( dep , d ) ;
grade = g ;
}
void print() {
Person::print() ; // 基底クラスPersonで名前と年齢を表示
printf( "- %s %d\n" , dep , grade ) ;
}
} ;
int main() {
// type=0 は Person 型、type=1は Student 型
Person saitoh( 0 , "t-saitoh" , 55 ) ;
Student yama( 1 , "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
Student nomu( 1 , "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ;
Person* table[3] = {
&saitoh , &yama , &nomu ,
} ;
for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
switch( table[i]->type_person() ) {
case 0 :
table[i]->print() ;
break ;
case 1 :
// 強制的にStudent*型として print() を呼び出す。
// 最近のC++なら、(static_cast<Student*>(table[i]))->>print() ;
((Student*)table[i])->print() ;
break ;
}
}
return 0 ;
}
しかし、このプログラムでは、プログラマーがこのデータは、Personなので type=0 で初期化とか、Studentなので type=1 で初期化といったことを記述する必要がある。
また、関数を呼び出す際に、型情報(type)に応じて、その型にふさわしい処理を呼び出すための switch 文が必要になる。
もし、派生したクラスの種類がいくつもあるのなら、(1)型情報の代入は注意深く書かないとバグの元になるし、(2)型に応じた分岐処理は巨大なものになるだろう。実際、オブジェクト指向プログラミングが普及する前の初期の GUI プログラミングでは、巨大な switch 文が問題となっていた。巨大な switch 文は、選択肢だけの if else-if else-if が並ぶと処理効率も悪い。
仮想関数
上記の、型情報の埋め込みと巨大なswitch文の問題の解決策として、C++では仮想関数(Virtual Function)が使える。
型に応じて異なる処理をしたい関数があったら、その関数の前に virtual と書くだけで良い。このような関数を、仮想関数と呼ぶ。
// 基底クラス
class Person {
private:
char name[ 20 ] ;
int age ;
public:
Person( const char s[] , int x )
: age( x ) {
strcpy( name , s ) ;
}
virtual void print() {
printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
}
} ;
// 派生クラス(Student は Person から派生)
class Student : public Person {
private:
char dep[ 20 ] ;
int grade ;
public:
Student( const char s[] , int x ,
const char d[] , int g )
: Person( s , x ) // 基底クラスのコンストラクタ
{ // 追加された処理
strcpy( dep , d ) ;
grade = g ;
}
virtual void print() {
Person::print() ; // 基底クラスPersonで名前と年齢を表示
printf( "- %s %d\n" , dep , grade ) ;
}
} ;
int main() {
// type=0 は Person 型、type=1は Student 型
Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
Student yama( "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
Student nomu( "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ;
Person* table[3] = {
&saitoh , &yama , &nomu ,
} ;
for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
table[i]->print() ;
}
return 0 ;
}
クラスの中に仮想関数が使われると、C++ では、プログラム上で見えないが、何らかの型情報をオブジェクトの中に保存してくれる。
また、仮想関数が呼び出されると、その型情報を元に、ふさわしい関数を自動的に呼び出してくれる。このため、プログラムも table[i]->print() といった極めて簡単に記述できるようになる。
関数ポインタ
仮想関数の仕組みを実現するためには、関数ポインタが使われる。
以下の例では、返り値=int,引数(int,int)の関数( int(*)(int,int) )へのポインタfpに、最初はaddが代入され、(*fp)(3,4) により、7が求まる。
int add( int a , int b ) { return a + b ; } int mul( int a , int b ) { return a * b ; } int main() { int (*fp)( int , int ) ; fp = add ; printf( "%d\n" , (*fp)( 3 , 4 ) ) ; // 3+4=7 fp = mul ; printf( "%d\n" , (*fp)( 3 , 4 ) ) ; // 3*4=12 int (*ftable[2])( int , int ) = { add , mul , } ; for( int i = 0 ; i < 2 ; i++ ) printf( "%d\n" , (*ftable[i])( 3 , 4 ) ) ; return 0 ; }仮想関数を使うクラスが宣言されると、一般的にそのコンストラクタでは、各クラス毎の仮想関数へのポインタのテーブルが型情報として保存されるのが一般的。仮想関数の呼び出しでは、仮想関数へのポインタを使って処理を呼び出す。このため効率よく仮想関数を動かすことができる。
仮想関数の実装方法
仮想関数の一般的な実装方法としては、仮想関数を持つオブジェクトには型情報として仮想関数へのポインタテーブルへのポインタを保存する。この場合、仮想関数の呼び出しは、object->table[n]( arg… ) のような処理が行われる。
コンパイラと関数電卓実験の総括
複雑な字句解析
コンパイラでは、字句解析→構文解析を行うのが一般的である…と説明をしたが、最近のC++では少し話がややこしい。
C++ではテンプレート機能などがあるので、整数型のリストみたいな型は、forward_list<int>といった書き方をする。そして、リスト型のリストを作る場合は、forward_list<forward_list<int>>という型が出てくるかもしれない。しかし、この場合、C言語の単純な字句解析処理が行われると、forward_list, “<” , forward_list , ”<” , int , “>>” というトークンに分解されることになる。しかし、これでは、ただしいC++でのテンプレート表記に構文解析できないので、少し古い C++03 では、”forward_list<forward_list<int> >”と、最後の2つの”>”の間に空白を入れる必要があった。
しかし、これはプログラム記述上問題も多いため、最新の C++11 では、”>>”と書いてもテンプレート記述の”<“との組を判断して、”>”,”>”と2つに分解してくれる。このため、字句解析の処理が lex のようなものでは不十分となっている。
形態素解析
今回の実験では、コンパイラを作るという目的で、字句解析、構文解析 を行う流れを説明し演習を行った。しかし、こういった処理は、自然言語処理でも使われている。
自然言語処理（Natural Language Processing）とは、人間の言語（自然言語）を機械で処理し、内容を抽出することです。
具体的には、言葉や文章といったコミュニケーションで使う「話し言葉」から、論文のような「書き言葉」までの自然言語を対象として、それらの言葉が持つ意味をさまざまな方法で解析する処理技術を指します。(入門編)自然言語処理(NLP)とは[引用]
今回のコンパイラの技術では、最初の処理は字句解析で説明をしていたが、日本語の場合は形態素解析が必要となる。
形態素解析 — 形態素解析とは、文法的な情報の注記の無い自然言語のテキストデータから、対象言語の文法や、辞書と呼ばれる単語の品詞等の情報にもとづき、形態素の列に分割し、それぞれの形態素の品詞等を判別する作業である。(wikipedia引用)
意味解析
自然言語処理では、これに加え構文解析の後に、意味解析の処理が行われる。例えば、「高い」という単語は、金額の意味なのか、高度の意味なのか、判断が必要だが、かかり受けする単語にお金に関するものであれば金額と判断するし、身長という単語があれば高低の意味と判断し、全体の意味を解析する。
コンパイラ処理でも、目的プログラム生成行程プログラミング言語において、コンパイラーがソースコードを解析し目的プログラムを生成する際の処理工程のひとつ。意味解析は、ソースコード内に記述された変数の型や文（ステートメント）が言語の記述仕様に沿っているかどうかをチェックする。
静的型付け・動的型付け・型推論
プログラム言語のコンパイラでも、意味解析が必要な事例として、型推論について紹介する。プログラム言語では、プログラムを記述する際に、値を記憶するために型情報が重要である。C言語では、明確に型を記述する必要がある(静的型付け言語)。これに対し、Perl , Python , PHP , JavaScript といった言語では、変数にどういった型の情報でも代入が可能となる。このため、変数宣言では型を明記する必要がないが、プログラムが動作している時点でインタプリタは型を確認しながら処理が行われる(動的型付け言語)ため、無駄な型判定処理が常に行われ処理効率が悪い。また、動的型付け言語では、型が明記されていないのでプログラムの間違いが見逃されることもある。
Microsot では、JavaScript の動的型付けの問題を解決するために、TypeScript を開発している。TypeScript では JavaScript に、静的型付けとオブジェクト指向のクラスの機能が追加されている。
プログラムを安全に作る視点であれば、データの型のチェックが行われる静的型付けはバグを減らす意味で重要であるが、プログラム記述が複雑になる問題も出てきている。例えば、C++ でのリスト処理は、forward_list のテンプレート機能を使うと、以下のように書ける。
#include <iostream>
#include <forward_list>
int main() {
// std::forward_list<>線形リスト
std::forward_list<int> lst{ 1 , 2 , 3 } ; // 1,2,3のリストで初期化
// for( List* p = lst ; p != NULL ; p = p->next ) {...} に相当
for( std::forward_list<int>::iterator itr = lst.begin() ;
itr != lst.end() ;
itr++ ) {
std::cout << *itr << std::endl ;
}
}
しかし、繰り返し処理のためのデータ型(反復子) itr の宣言は、ただ「リストの要素で繰り返し」とい目的で書くには、型宣言が面倒すぎる。
そこで、最新の C++ では、型推論 とよばれる機能が導入され、型宣言の初期化の右辺式から変数の型を推論してくれる。下記プログラム例では繰り返しのイテレータ itr が auto という曖昧な型で宣言されているけど、初期化の右辺式 lst.begin() の型 std::forward_list<int>::iterator で宣言してくれる。あくまでも型推論は、コンパイル時に型が確定しているので、静的型付け言語の便利な機能の１つである。
#include <iostream>
#include <forward_list>
int main() {
// std::forward_list<>線形リスト
std::forward_list<int> lst{ 1 , 2 , 3 } ; // 1,2,3のリストで初期化
for( auto itr = lst.begin() ; // lst.begin() の型からitrの型を推論
itr != lst.end() ;
itr++ ) {
std::cout << *itr << std::endl ;
}
}
しかし、変数の型推論をしなくちゃいけないのは、変数を使った副作用を伴う記述方法が間違いのモトという考え方では、関数型プログラミングという話が出てくる。C++のalgorithm = 関数型という意味じゃないけど…
#include <iostream>
#include <forward_list>
#include <algorithm>
int main() {
std::forward_list<int> lst{ 1 , 2 , 3 } ;
std::for_each( lst.begin() ,
lst.end() ,
[]( int x ) { // 配列参照のコールバック関数
std::cout << x << std::endl ;
} );
return 0 ;
}