オブジェクト指向プログラミング・ガイダンス2023
専攻科2年のオブジェクト指向プログラミングの授業の1回目。
最近のプログラミングの基本となっているオブジェクト指向について、その機能についてC++言語を用いて説明し、後半では対象(オブジェクト)をモデル化して設計するための考え方(UML)について説明する。
評価は、3つの課題と最終テストを各25%づつで評価を行う。
オブジェクト指向プログラミングの歴史
最初のプログラム言語のFortran(科学技術計算向け言語)の頃は、処理を記述するだけだったけど、 COBOL(商用計算向け言語)ができた頃には、データをひとまとめで扱う「構造体」(C言語ならstruct {…}の考えができた。(データの構造化)
// C言語の構造体
struct Person { // 1人分のデータ構造をPersonとする
char name[ 20 ] ; // 名前
int b_year, b_month, b_day ; // 誕生日
} ;
一方、初期のFortranでは、プログラムの処理順序は、繰り返し処理も if 文と goto 文で記載し、処理がわかりにくかった。その後のALGOLの頃には、処理をブロック化して扱うスタイル(C言語なら{ 文 … }の複文で 記述する方法ができてきた。(処理の構造化)
// ブロックの考えがない時代の雰囲気をC言語で表すと
int i = 0 ;
LOOP: if ( i >= 10 ) goto EXIT ;
if ( i % 2 != 0 ) goto NEXT ;
printf( "%d " , i ) ;
NEXT: i++ ;
goto LOOP ; // 処理の範囲を字下げ(インデント)で強調
EXIT:
---------------------------------------------------
// C 言語で書けば
int i ;
for( i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
if ( i % 2 == 0 ) {
printf( "%d¥n" , i ) ;
}
}
---------------------------------------------------
! 構造化文法のFORTRANで書くと
integer i
do i = 0 , 9
if ( mod( i , 2 ) == 0 ) then
print * , i
end if
end do
このデータの構造化・処理の構造化により、プログラムの分かりやすさは向上し、このデータと処理をブロック化した書き方は「構造化プログラミング(Structured Programming)」 と呼ばれる。
雑談
ここで紹介した、最古の高級言語 Fortran や COBOL は、今でも使われている。Fortran は、スーパーコンピュータなどで行われる数値シミュレーションでは、広く利用されている。また COBOL は、銀行などのシステムでもまだ使われている。しかしながら、新システムへの移行で COBOL を使えるプログラマーが定年を迎え減っていることから、移行トラブルが発生している。特に、CASEツール(UMLなどの図をベースにしたデータからプログラムを自動生成するツール)によって得られた COBOL のコードが移行を妨げる原因となることもある。
この後、様々なプログラム言語が開発され、C言語などもできてきた。 一方で、シミュレーションのプログラム開発(例simula)では、 シミュレーション対象(object)に対して、命令するスタイルの書き方が生まれ、 データに対して命令するという点で、擬人法のようなイメージで直感的にも分かりやすかった。 これがオブジェクト指向プログラミング(Object Oriented Programming)の始まりとなる。略記するときは OOP などと書くことが多い。
この考え方を導入した言語の1つが Smalltalk であり、この環境では、プログラムのエディタも Smalltalk で記述したりして、オブジェクト指向がGUIのプログラムと親和性が良いことから、この考え方は多くのプログラム言語へと取り入れられていく。
C言語にこのオブジェクト指向を取り入れ、C++が開発される。さらに、この文法をベースとした、 Javaなどが開発されている。最近の新しい言語では、どれもオブジェクト指向の考えが使われている。
この授業の中ではオブジェクト指向プログラミングにおける、隠蔽化, 派生と継承, 仮想関数 などの概念を説明する。
構造体の導入
専攻科の授業では、電子情報以外の学科系の学生さんもいるので、まずは C 言語での構造体の説明を行う。
C++でのオブジェクト指向は、C言語の構造体の表記がベースになっているので、まずは構造体の説明。詳細な配布資料を以下に示す。
// 構造体の宣言
struct Person { // Personが構造体につけた名前
char name[ 20 ] ; // 要素1
int phone ; // 要素2
} ; // 構造体定義とデータ構造宣言を
// 別に書く時は「;」の書き忘れに注意
// 構造体変数の宣言
struct Person saitoh ;
struct Person data[ 10 ] ;
// 実際にデータを参照 構造体変数.要素名
strcpy( saitoh.name , "t-saitoh" ) ;
saitoh.phone = 272925 ;
for( int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
scanf( "%d%s" , data[ i ].name , &(data[ i ].phone) ) ;
}
構造体に慣れていない人のための課題
- 以下に、C言語の構造体を使った基本的なプログラムを示す。このプログラムでは、国語,算数,理科の3科目と名前の5人分のデータより、各人の平均点を計算している。このプログラムを動かし、以下の機能を追加せよ。レポートには プログラムリストと動作結果の分かる結果を付けること。
- 国語の最低点の人を探し、名前を表示する処理。
- 算数の平均点を求める処理。
#include <stdio.h>
struct Student {
char name[ 20 ] ;
int kokugo ;
int sansu ;
int rika ;
} ;
struct Student table[5] = {
// name , kokugo , sansu , rika
{ "Aoyama" , 56 , 95 , 83 } ,
{ "Kondoh" , 78 , 80 , 64 } ,
{ "Saitoh" , 42 , 78 , 88 } ,
{ "Sakamoto" , 85 , 90 , 36 } ,
{ "Yamagosi" ,100 , 72 , 65 } ,
} ;
int main() {
int i = 0 ;
for( i = 0 ; i < 5 ; i++ ) {
double sum = table[i].kokugo + table[i].sansu + table[i].rika ;
printf( "%-10.10s %3d %3d %3d %6.2lf\n" ,
table[i].name , table[i].kokugo , table[i].sansu , table[i].rika ,
sum / 3.0 ) ;
}
return 0 ;
}
値渡し,ポインタ渡し,参照渡し
C言語をあまりやっていない学科の人向けのC言語の基礎として、関数との値渡し, ポインタ渡しについて説明する。ただし、参照渡しについては電子情報の授業でも細かく扱っていない内容なので電子情報系学生も要注意。
オブジェクト指向のプログラムでは、構造体のポインタ渡し(というよりは参照渡し)を多用するが、その基本となる関数との値の受け渡しの理解のため、以下に値渡し・ポインタ渡し・参照渡しについて説明する。
ポインタと引数
値渡し(Call by value)
// 値渡しのプログラム
void foo( int x ) { // x は局所変数(仮引数は呼出時に
// 対応する実引数で初期化される。
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
int main() {
int a = 123 ;
foo( a ) ; // 124
// 処理後も main::a は 123 のまま。
foo( a ) ; // 124
return 0 ;
}
このプログラムでは、aの値は変化せずに、124,124 が表示される。ここで、関数 foo() を呼び出しても、関数に「値」が渡されるだけで、foo() を呼び出す際の実引数 a の値は変化しない。こういった関数に値だけを渡すメカニズムは「値渡し」と呼ぶ。
値渡しだけが使われれば、関数の処理後に変数に影響が残らない。こういった処理の影響が残らないことは一般的に「副作用がない」という。
大域変数を使ったプログラム
でも、プログラムによっては、124,125 と変化して欲しい場合もある。どのように記述すべきだろうか？
// 大域変数を使う場合
int x ;
void foo() {
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
int main() {
x = 123 ;
foo() ; // 124
foo() ; // 125
return 0 ;
}
しかし、このプログラムは大域変数を使うために、間違いを引き起こしやすい。大域変数はどこでも使える変数であり、副作用が発生して間違ったプログラムを作る原因になりやすい。
// 大域変数が原因で予想外の挙動をしめす簡単な例
int i ;
void foo() {
for( i = 0 ; i < 2 ; i++ )
printf( "A" ) ;
}
int main() {
for( i = 0 ; i < 3 ; i++ ) // このプログラムでは、AA AA AA と
foo() ; // 表示されない。
return 0 ;
}
ポインタ渡し(Call by pointer)
C言語で引数を通して、呼び出し側の値を変化して欲しい場合は、変更して欲しい変数のアドレスを渡し、関数側では、ポインタ変数を使って受け取った変数のアドレスの示す場所の値を操作する。(副作用の及ぶ範囲を限定する) こういった、値の受け渡し方法は「ポインタ渡し」と呼ぶ。
// ポインタ渡しのプログラム
void foo( int* p ) { // p はポインタ
(*p)++ ;
printf( "%d¥n" , *p ) ;
}
int main() {
int a = 123 ;
foo( &a ) ; // 124
// 処理後 main::a は 124 に増えている。
foo( &a ) ; // 124
return 0 ; // さらに125と増える
}
ポインタを利用して引数に副作用を与える方法は、ポインタを正しく理解していないプログラマーでは、危険な操作となる。
参照渡し(Call by reference)
C++では、ポインタ渡しを極力使わないようにするために、参照渡しを利用する。ただし、ポインタ渡しも参照渡しも、機械語レベルでは同じ処理にすぎない。
// ポインタ渡しのプログラム void foo( int& x ) { // xは参照 x++ ; printf( "%d¥n" , x ) ; } int main() { int a = 123 ; foo( a ) ; // 124 // 処理後 main::a は 124 に増えている。 foo( a ) ; // 124 return 0 ; // さらに125と増える。 }
大きなプログラムを作る場合、副作用のあるプログラムの書き方は、間違ったプログラムの原因となりやすい。そこで関数の呼び出しを中心としてプログラムを書くものとして、関数型プログラミングがある。
情報メディア工学・ガイダンス/2023
情報メディア工学では、前期では情報を扱うためのOSの仕組みなどを、実践を交えながら演習を中心に行う。後期は５年の人工知能の授業につながる内容として、情報の中のデータをどう処理するのかを議論する。
OSの役割と仕組み
組込み系システム
組込み系のシステムで、OSが無い場合(例えば Arduino でデバイスを制御する場合)には、ユーザプログラムはデバイスを操作するライブラリやI/Oポートを直接制御しながら、ハードウェアを制御する。ユーザプログラムは、デバイスを操作するライブラリを含むため、異なるシステムでは機械語をそのまま使うことはできない。(共通化が不十分)
組込み系システムでは、ハードウェアを操作する命令をすべてユーザプログラムが面倒を見る必要があるため、システムが複雑化するとプログラム開発が大変になってくる。また、ユーザプログラムが間違った制御方法を取れば、ハードウェアを壊すような処理を実行してしまうかもしれない。(資源保護ができない)
オペレーティングシステム経由でハード操作
コンピュータのハードウェアの違いは OS がすべて包み隠し、OSが管理する。OSは 特権モード で動作し、ハードウェアを直接制御する。ユーザプログラムはユーザモードで動作し、OSの機能を呼び出すシステムコールを経由し、デバイス毎のデバイスドライバを経由して、ハードウェアを操作する。ユーザモードのプログラムは、ハードウェアを直接操作するような命令を実行しようとすると、OSが命令を強制停止させる。(資源保護)
ユーザプログラムには、ハードウェアを直接操作する機械語が含まれていないので、ユーザプログラムの機械語を同じOSが動く他のコンピュータにコピーして動かすことができる。(資源の扱いを共通化)
(例) helloworld のプログラムがコンソールに出力
簡単な例として、helloworld.c のような簡単なコンソール出力プログラムが動いて、画面に文字が表示されるのは以下の図のようにOSを経由して文字を表示している。
古いコンピュータで、プログラムが動作するだけならば、仕組みはすごく簡単にみえる。ユーザプログラムはすべて特権モードで動くOS(狭義のOSとかカーネルと呼ぶことが多い)を経由してハードウェアを操作する。
GUI が使えるグラフィカルな OS の場合
GUI が使えるグラフィカルなOSの場合、GUI の操作を支援するプログラム(ウィンドウマネージャ)などを利用しながら、ユーザはOSを操作する。コンピュータを操作する場合は、こういうウィンドウマネージャなどがないと不便であり、カーネルとユーザ支援のウィンドウマネージャなどをまとめて広義のOSと呼ぶ場合も多い。
ユーザプログラムは、GUIを操作するためのライブラリを経由し、さらにカーネルを経由してディスプレィに結果が表示される。
ユーザモードのプログラムの実行単位プロセスでは、処理を実行するためのメモリなどは他の処理と分離されており、他のプロセスのメモリ領域などを間違ってアクセスすると「メモリエラー」といった例外などが発生し、処理が強制的に停止させられる。このように、プロセスが他に悪影響を及ぼさないように、OS はメモリを管理する。(OSの保護機能)
(例) helloworld の結果を端末ソフトで表示
以下のように、コンソールアプリの実行結果を表示するような、cmd.exe は、helloworld.exe と OS を経由しながら連動して動いている。
helloworld.exe の出力は、OS を経由しながら cmd.exe に伝わり、cmd.exe はその表示内容に応じて、テキストの文字やフォントに合わせてグラフィカルな画面に文字を表示しようとする。グラフィカルな出力は GUI のライブラリを経由しながら OS に送られ、グラフィックドライバが画面に文字を表示する。
インターネットとプログラム
次に、インターネットの仕組みを踏まえ、インターネットで使われるプログラム言語やデータについて3～4週をかけて演習を中心にしながら、今まで習ってきたことを総括する。
理解確認
情報構造論ガイダンス2023
基本的なガイダンス
情報構造論のシラバスを、ここに示す。プログラムを作成する上で、どのような考え方で作れば処理速度が速いのかを議論する。基本的に、4回のテストのたびに、レポート課題を実施する。各テスト毎の評価は、テスト素点と、「テスト素点×60%+レポート評価×40%」の良い方とする。テストに自信のない人は、レポート課題をきちんと提出すること。
プログラムを評価する3つのポイント
まずは以下を読む前に、質問。
- あなたが”良い”プログラムを作るために何を考えて作りますか？ ※1
- ここまでの段階で3つの要点を考えメモしてください。
具体的な言葉で要点を考えると、いろいろなものがでてくるだろうが、端的なポイントにまとめると、次の3つに分類できるはずである。
- プログラムの速度
- プログラムのわかり易さ
- メモリの使用量
プログラムを作る場合、この３要素がトレードオフの関係にある。プログラムの速度を優先すると、プログラムが分かり難くなったり、メモリを大量浪費するものだったりする。
メモリの使用量の影響
メモリを大量に使用すると、どういった影響がでるのか？ OSの機能を知らないと、メモリ(主記憶)を使い果たしたら、プログラムが動かないと思うかもしれないけど、最近のOSは仮想メモリ機能があるため、主記憶がメモリが足りなければ待機状態のプロセスのメモリを補助記憶に保存することで、プログラムを動かすことはできる。(仮想記憶)
しかし、プロセスが切り替わる度に、補助記憶への読み書きが発生するため、処理性能は低下する。(スワッピング)
int 型のメモリ使用量
int 型は、プログラムで扱う一般的な整数を扱うのに十分なデータ型。
32bit の0/1情報の組み合わせで、232通りの情報が表現でき、負の数も扱いたいことから2の補数表現を用いることで、-231～0～231-1 の範囲を扱うことができる。231 = 2×210×210×210 ≒ 2×10003
32bit = 4byte
ソフトウェアとアルゴリズムとプログラム
用語として、ソフトウェア、アルゴリズム、プログラムという表現があるが、この違いは何か？
- アルゴリズム – 計算手順の考え方。
- プログラム – アルゴリズムを特定のプログラム言語によって記述したもの。
- ソフトウェア – プログラムと、その処理に必要なデータ。
(日本語を変換するプログラムは、日本語の辞書データが無いと動かない/役に立たない) - パラダイム – プログラムをどう表現すると分かりやすいか？
トレードオフ関係をプログラムで確認
例えば、配列の中から、目的データを探すプログラムの場合、最も簡単なプログラムは以下の方法であろう。
// ((case-1))
// 単純サーチ O(N)
#define SIZE 1024
int a[ SIZE ] ; // 配列
int size ; // 実際のデータ数(Nとする)
int key ; // 探すデータ
for( int i = 0 ; i < size ; i++ ) // 先頭から1つづつ比較、シンプル
if ( a[i] == key )
break ;
しかし、もっと早く探したいのであれば、2分探索法を用いるだろう。でも、このプログラムは、case-1 のプログラムよりは分かり難い。(速度⇔わかり易さ)
// ((case-2))
// 2分探索法 O(log N)
int L=0 , R=size ; // 速いけど、プログラムは分かりにくく(複雑に)なった
while( L != R ) {
int M = (L + R) / 2 ;
if ( a[M] == key )
break ;
else if ( a[M] < key )
L = M + 1 ;
else
R = M ;
}
でももっと速いプログラムとしたければ、大量のメモリを使えば一発でデータを探せる。(速度⇔メモリ使用量)
// ((case-3)) // 添字がデータ O(1) // 探すデータが電話番号 272925 のような 6 桁ならば、データを以下の様に保存すればいい。 int a[ 1000000 ] ; a[ 272925 ] = 272925 ; ： // データを探したければ a[ 電話番号 ] で探せばいい printf( "%d\n" , a[ 621111 ] ) ; // 処理速度はクソ速いけど、メモリは大量消費
良いプログラムを作るとは
プログラムを作る時には、メモリが大量に使えるのなら、速いものを使えばいい。だけど実際には、そのシステムには限られた予算があるだろう。
実際には、限られた予算からメモリやCPUが決まり、その会社の人員やら経験やらでプログラム開発に使える時間がきまる。プログラムをデザインするとは、限られた条件の中で、適切な速度のコンピュータ、適切な量のメモリでコンピュータを用意し、限られた納期の中でシステムを完成させることである。
皆さんも、ゲームを買った時、処理速度が遅くてキャラクターがカクカク動いたら幻滅するでしょ？ゲームがバグですぐに変な動きしたらキレるでしょ！(参考) 発売日の予定どおりに買えなかったらさみしいでしょ!!プログラムがでかすぎてローディングに時間がかかったら、寝ちゃうでしょ!!!