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オブジェクト指向
プログラミング入門
ソフトウェア基礎講座 第4回
2011年2月28日
服部健太
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 2
オブジェクト技術への道
? 機能による分解
? トップダウン法による開発
? 機能は一つではない
? トップを見つける
? 現実のシステムにはトップが存在しない
? 機能と進化
? システムが進化するにつれて機能が変更される可能性
? インタフェースとソフトウェア設計
? 早すぎる順序付け
? 再利用性を推進しない(上位の要求に依存するので)
? 生産と記述
? すでに理解している事柄を説明するのには向いている
? オブジェクトによる分解
? 拡張性
? 再利用性
? 互換性
? オブジェクト指向によるソフトウェア開発
? 課題
? オブジェクトの型をさがす
? 型とオブジェクトを記述する
? 関係とソフトウェアの構造化を記述する
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 3
抽象データ型
? オブジェクト指向の手法全体の理論的基礎は
抽象データ型によって確立される
? ここでは,いくつかの数学的概念も学ぶ
? 先を急ぐ気持ちを抑えてじっくりと学びま
…しょう
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 4
オブジェクトの適切な表現
? 3つの条件を満たす手法が必要
? その記述はあいまいさがなく厳密でなければなら
ない
? その記述は完全でなければならない.あるいは,
少なくとも,個々のケースについて期待される程
度の完全さがなければならない.
? その記述は過剰仕様過剰仕様( overspecifying )であって
はならない
? 最後の条件を満たすことが難しい
? オブジェクトの本質的な属性を記述する必要があ
る
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 5
例:スタックの表現
? ARRAY_UP:
? 配列 representation と整数 count によって表されるスタッ
クで, count の値の範囲は 0 から capacity まで. capacity
は配列のサイズ.要素は 1 から上に向かって count までの
位置に格納される
? ARRAY_DOWN:
? 配列の最後から要素が格納される.スタックの要素は配列
のインデックス capacity から下に向かって free+1 までの
位置に格納される.
? LINKED:
? 2つのフィールドから成るセルに個々のスタック要素を格
納する連結表現.
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 6
スタックの表現例: ARRAY_UP
? プッシュ操作
count := count +1
representation[count] := x
capacity
count
1representation
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 7
スタックの表現例:
ARRAY_DOWN
? プッシュ操作
representation[free] := x
free := free - 1
capacity
free
1representation
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 8
スタックの表現例: LINKED
? プッシュ操作
new(n)
n.item := x
n.previous := last
last := n
item
previous
item
item
item
last
previous
previous
previous
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 9
過剰仕様の危険性
? これらの表現のいずれかをスタックの「唯一の」定
義として選ぶことは過剰仕様の典型的なケースの 1
つ
? 例えば,配列と整数と count と上限という ARRAY_UP の
特徴的な属性は,スタックの本質的な構造の理解とは無関
係
? 特定の表現をしようとして使うことが悪い理由
? ソフトウェアのコストの 17% 以上がデータ形式の変更を
考慮する必要から発生する( Lientz と Swanson による)
? 柔軟性の高いソフトウェアを生み出せない
? システムアーキテクチャの基礎としてオブジェクト
型を使おうとする場合,物理的表現よりも優れた記
述基準を見出さなければならない
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 10
保守コストの内訳
42%
18%
12%
9%
6%
6%
4% 3%
ユーザ要求の変更
データフォーマットの変更
緊急の修正
定期的なデバッグ
ハードウェアの変更
ドキュメント作業
効率性向上のための修正
そのほか
出典: [Lientz 1980]
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 11
オブジェクトを抽象的に見るには
? 操作を使う
? スタックの例の場合,「入れ物」構造を表している
? 特定の操作を適用できる
? スタックの一番上に要素をプッシュする( put )
? スタックが空でなければ,スタックの一番上の要素を取り除
く( remove )
? スタックが殻でなければ,一番上の要素が何か調べる
( item )
? スタックが空かどうかを判定する問合せ
? 空のスタックを用意する( make )
? 特定の属性を与えることができる
? スタックの容量
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 12
名前の一貫性
? 「入れ物」という高いレベルでのデータ構造を見る
ため
? スタックは入れ物の種類の 1 つに過ぎない
? 正しい名前を選ぶことは再利用可能なソフトウェア
にとって重要
? 何万もの操作が提供されているライブラリでは系統的で明
確な分類学的命名法が必要
一般的なスタック操作名 ここで使われている名前
push put
pop remove
top item
new make
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 13
仕様記述を形式化する
? 非形式な記述では不十分
? put はスタックの「一番上に」要素をプッシュする,
? remove は「最後にプッシュされた」要素をポップす
る, etc.
? これらの操作が顧客に対して何をするかを詳細に知
る必要がある
? 抽象データ型( ADT )の仕様情報は以下から構成
される
? TYPES (型)
? FUNCTIONS (関数)
? AXIOMS (公理)
? PRECONDITIONS (事前条件)
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 14
型を記述する
? 型とは関数,公理,事前条件によって特徴づけられ
るオブジェクトの集合である
? 抽象データ型は1つのオブジェクト(特定の 1 つの
スタック)ではなく,オブジェクトの集合の 1 つ
(すべてのスタックの集合)である
? ADT の仕様記述によってあらわされたオブジェクト
の集合に属するオブジェクトは,その ADT のイン
スタンスである
●   STACK[G]
TYPES
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 15
総称性
? STACK[G] の G は任意の制約されていない型
を表す
? G は抽象データ型 STACK の仮総称パラメー
タと呼ばれ, STACK は総称的 ADT である
という
? STACK は型ではなくて型のパターン
? スタック型を得るためには,仮パラメータ G に対
応する実総称パラメータを与える必要がある
? 「総称的に派生した( generically derived )」型
? STACK[ACOUNT] は型となる
? STACK[STACK[ACOUNT]] という型もあり
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 16
関数を列挙する
? ADT のインスタンスに適用可能な操作をリ
ストアップする
? 関数のシグネチャのみの記述
● put: STACK[G]×G → STACK[G]
● remove: STACK[G] → STACK[G]
● item: STACK[G] → G
● empty: STACK[G] → BOOLEAN
● new: STACK[G](→ STACK[G] の省略形)
FUNCTIONS
直積
部分関数
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 17
関数の分類
? ある型Tについての操作は,以下のように分類可能
? 生成関数:
? 矢印の右側にだけ T が現れる new などの関数
? 問合せ関数:
? 矢印の左側にだけ T が現れる item や empty などの関数
? コマンド関数:
? put や remove など矢印の両側に T が現れる関数
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 18
AXIOMS (公理)
? 関数の値を与えるのではなく,それらの値の
属性を記述する
任意の x: G, s: STACK[G] について以下が成り立つ
A1 ● item(put(s,x)) = x
A2 ● remove(put(s,x)) = s
A3 ● empty(new)
A4 ● not empty(put(s,x))
AXIOMS
一番上の要素を取り
出すとプッシュする
前のスタックに戻る
一番上の要素は最後
にプッシュした要素
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 19
スタックについて知っている2,3
のこと
? ADTの仕様記述は暗黙的なものである
? 適用可能な関数という形でオブジェクトの集合を暗
黙的に定義する.オブジェクトが何であるかではな
く,どんな性質を有しているかによってオブジェク
トを定義する
? 列挙されている操作だけがすべてではない
? 関数そのものもまた暗黙のうちに定義される.明示
的な定義の代わりに,公理を使って関数の属性を記
述する
? 列挙されている属性だけがすべてではない
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 20
部分関数
? remove と item
? スタック集合の全ての要素に適用できるわけではない
? 空のスタックからはポップできない,一番上の要素もない
? そのような関数は部分関数として記述
? ? 全関数
? 部分関数の例:
? inv(x) = 1/x
? inv: R → R
? inv の定義域は R-{0}
? remove や item の定義域をどうやって記述したらよ
いか?
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 21
事前条件
? すべての操作をすべてのオブジェクトに適用
できるわけではない
? require 句では,その関数の定義域に入るた
めに引数が満たさなければならない条件を示
す
● remove(s: STACK[G]) require not empty(s)
● item(s: STACK[G]) require not empty(s)
PRECONDITIONS
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 22
完全な仕様記述
TYPES
● STACK[G]
FUNCTIONS
● put: STACK[G]×G → STACK[G]
● remove: STACK[G] → STACK[G]
● item: STACK[G] → G
● empty: STACK[G] → BOOLEAN
● new: STACK[G]
AXIOMS
任意の x: G, s: STACK[G] について以下が成り立つ
A1 ● item(put(s,x)) = x
A2 ● remove(put(s,x)) = s
A3 ● empty(new)
A4 ● not empty(put(s,x))
PRECONDITIONS
● remove(s: STACK[G]) require not empty(s)
● item(s: STACK[G]) require not empty(s)
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 23
真実以外の何物もない
? 過剰仕様にならずにデータ構造の本質的な属性をと
らえる
? さきほどのスタックの仕様記述は,一般的なスタックとい
う概念について知っておくべきことをすべて表している
? 代数学を用いて複雑な操作の並びを記述できる
? 計算を実行する過程は代数学の簡約化と同じ
? ADT の公理を使って複雑な式を簡約化できる
? 記号的な操作のみで可能
? item (remove (put (remove (put (put (remove (put (put (put
(new, x1), x2), x3)), item (remove (put (put (new, x4), x5)))),
x6)), x7))) = ?
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 24
抽象データ型からクラスへ
? 抽象データ型は,実装の問題とは無関係の高
レベルの記述メカニズムを提供する
? ? オブジェクト技術の基本構造となる
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 25
クラス
? オブジェクト指向システムは,部分的あるいは完全に実装され
た相互に作用する ADT の集合として構築される
? クラスを得るためには, ADT を準備し,実装を決めなければな
らない
? 有効クラスを得るためには,実装に関する詳細をすべて用意し
なければならない
クラスは(部分的であっても良い)実装を伴う抽象データ型である
完全に実装されているクラスを有効クラス( effective class )という.部分
的にしか実装されていないか,全く実装されていないクラスを暫定クラス
( deferred class )という.クラスは暫定クラスか有効クラスのいずれかで
ある.
定義:クラス
定義:暫定クラスと有効クラス
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 26
有効クラスの作成方法
? 有効クラスの構成
? E1 ADT の仕様記述
? E2 表現の選択
? E3 関数( E1 )から表現( E2 )への対応
? 特性と呼ばれるメカニズムの集合として表される
? 例:スタックの表現
<representation,count>
? representation は配列, count は整数
? 例: put の実装
put(x: G) is
do
count := count + 1
representation[count] := x
end
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 27
暫定クラスの役割
? 暫定クラスは分析と設計に役立つ
? オブジェクト指向分析では,実装に関する詳細は全く必要
とされない.
? オブジェクト指向設計では,実装の多くの側面を無視する
ことができる.設計においては,システムの高レベルの
アーキテクチャの属性に集中すべきである.
? 設計を助序に完全な実装に近づけていくにつれて,より多
くの実装の属性が追加され,最終的には有効クラスになる
? 関連する種類のオブジェクトのグループを暫定クラ
スとして分類することで,以下の重要な役割を果た
す
? 高レベルの再利用可能なモジュールを提供
? 複数の変形に共通する振る舞いを把握
? ソフトウェアアーキテクチャが非集中的で拡張可能である
ことを保証
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 28
抽象データ型と情報隠蔽
? 情報隠蔽の設計方針
公開部分:ADT仕様記述(E1)
非公開部分:
?表現の選択(E2)
?特性による関数の定義(E3)
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 29
より命令的な見方を取り入れる
? put: STACK[G]×G → STACK[G]
? 適用的な見方:
? スタックと要素を受け取り,新しいスタックを返す操作
? オブジェクトを変更できる操作
? G 型の引数を受け取るルーチン.新しいスタックを生成する代わり
に,スタックの一番上に新しい要素をプッシュし,スタックを修正
する.
? ADT の公理
? ルーチンの事後条件という句なる
put(x: G) is
require … (事前条件)
do … (ルーチンの実装)
ensure
item = x
not empty
end
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 30
オブジェクト指向によるソフトウェ
ア構築
? 基本は抽象データ型( ADT )という概念
? ソフトウェアに必要なのは数学的な概念としての ADT ではなく,ソフトウェア
の概念である ADT の実装
? 実装は完全である必要はない
? システムはクラスの集合である.トップやメインプログラムは存在しない
? 集合は顧客と継承という 2 種類のクラス間関係で構造化される
オブジェクト指向によるソフトウェア構築とは,抽象データ型の(その部分
的な実装も含む)構造化された集合として,ソフトウェアシステムを構築す
ることである.
定義2
オブジェクト指向によるソフトウェア構築とは,(システムが保証しようと
する機能や機能群ではなく)操作するオブジェクトの型から導かれるモ
ジュールを基本に,すべてのソフトウェアシステムのアーキテクチャを構築
するソフトウェア開発手法である.
定義1
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 31
暗黙性について
? ADT による仕様記述
? x: POINT → REAL
? y: POINT → REAL
? Pascal のような伝統的なプログラミング言語による記述
? type POINT = record x, y: real end
? 重大な違い
? Pascal の形式は閉じられていて明示的である.すなわ
ち, POINT オブジェクトは 2 つのフィールドから構成されてい
て,それ以外ではないことが示されている.
? Pascal の宣言は直積としての POINT の定義
? ADT の関数宣言は,点の x と y について問い合わせることがで
きることを示しているが,その他の問合せについても除外して
いない
? ADT では,暗黙的に POINT の特徴を示している
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 32
仕様 vs. 設計
? ソフトウェア開発の段階
? 初期の活動:仕様記述,分析
? 後の段階:設計や実装など
? 仕様記述はどこで終わり,設計がどこで始まるのか?
? 設計から実装への移行は,単に 1 つの明示的な形式からもう 1
つの明示的な形式に移動することである.
? 設計の形式:抽象的で数学的概念に近い
? 実装の形式:具体的でコンピュータに近い
? オブジェクト技術はほとんど設計と実装の区別を取り去るもの
である
仕様記述から設計へと進むとは,個々の抽象を上で示したように,例えば単
純な問合せを直積として表していくということである.
定義:分析(仕様記述)から設計への移行
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 33
仕様記述は完了したか?
? ADT の仕様記述が完了したかどうかを判定する手法
は存在しない
? 完全性( completeness )という概念を取り入れる
?  
特定の ADT に対する 1 つまたは複数の関数を含む良形( well-formed )の式
を f(x1,…, xn) とする.すべての xi が(再帰的に)正しく,同時に,それらの
値があれば, f の事前条件を満たす場合にのみ,この式は正しい.
定義:正しい ADT 式
その理論の公理によって任意の良形の式 e について,次の問題を解決できる
場合にのみ,型 T についての ADT 仕様記述は十分に完全であるとする.
S1 ● e が正しいかどうかを判定する
S2 ● e が問合せ式であり, S1 において正しいことが示されている場合に,
T 型の    
     任意の値を含まない形式で e の値を表す
定義:十分な完全性
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 34
仕様記述は完了したか?
( contd. )
? ちなみに無矛盾性に似た概念として健全性( soundness )とい
うのがある...
? ある公理系が健全であるとは,それによって証明された命題は
必ず真であることを意味する
? 完全性と逆の関係
? 真ならば必ず証明できる
? ここら辺の話題を深く理解するには「計算論理」を学んでくだ
さい
? エルブラン定理とかゲーデルの不完全性定理とか面白い話題が
いっぱいあります...
任意の良形の問合せ式 e について,その公理群が e に対して多くとも 1 つの
値を導くことができる場合にのみ, ADT 仕様記述は無矛盾である.
定義: ADT の無矛盾性
2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 35
十分な完全性を証明する
? 任意の ADT 仕様記述における一般的な手続
きは存在しないが,特定の仕様については個
別に証明できることもある
? STACK の ADT 仕様記述を例に:
? 任意のスタック表現 e について以下を証明すれば
よい
? e が正しいかどうかを判定できる
? 上記において e が正しく,その最も外側の関数が item
か empty の場合, STACK[G] 型の値や STACK の仕様記
述の関数を全く参照せずに, BOOLEAN と G の値だけ
を使って e の値を表現できる
? e の構造に関する帰納法で証明可能
次回予定
? 日時:2011年3月7日(月)10:30
~
? 場所: LB  2 F / A 会議室
? 内容:クラス
2011/2/21 オブジェクト指向プログラミング入門 4 36

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  • 2. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 2 オブジェクト技術への道 ? 機能による分解 ? トップダウン法による開発 ? 機能は一つではない ? トップを見つける ? 現実のシステムにはトップが存在しない ? 機能と進化 ? システムが進化するにつれて機能が変更される可能性 ? インタフェースとソフトウェア設計 ? 早すぎる順序付け ? 再利用性を推進しない(上位の要求に依存するので) ? 生産と記述 ? すでに理解している事柄を説明するのには向いている ? オブジェクトによる分解 ? 拡張性 ? 再利用性 ? 互換性 ? オブジェクト指向によるソフトウェア開発 ? 課題 ? オブジェクトの型をさがす ? 型とオブジェクトを記述する ? 関係とソフトウェアの構造化を記述する
  • 3. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 3 抽象データ型 ? オブジェクト指向の手法全体の理論的基礎は 抽象データ型によって確立される ? ここでは,いくつかの数学的概念も学ぶ ? 先を急ぐ気持ちを抑えてじっくりと学びま …しょう
  • 4. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 4 オブジェクトの適切な表現 ? 3つの条件を満たす手法が必要 ? その記述はあいまいさがなく厳密でなければなら ない ? その記述は完全でなければならない.あるいは, 少なくとも,個々のケースについて期待される程 度の完全さがなければならない. ? その記述は過剰仕様過剰仕様( overspecifying )であって はならない ? 最後の条件を満たすことが難しい ? オブジェクトの本質的な属性を記述する必要があ る
  • 5. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 5 例:スタックの表現 ? ARRAY_UP: ? 配列 representation と整数 count によって表されるスタッ クで, count の値の範囲は 0 から capacity まで. capacity は配列のサイズ.要素は 1 から上に向かって count までの 位置に格納される ? ARRAY_DOWN: ? 配列の最後から要素が格納される.スタックの要素は配列 のインデックス capacity から下に向かって free+1 までの 位置に格納される. ? LINKED: ? 2つのフィールドから成るセルに個々のスタック要素を格 納する連結表現.
  • 6. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 6 スタックの表現例: ARRAY_UP ? プッシュ操作 count := count +1 representation[count] := x capacity count 1representation
  • 7. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 7 スタックの表現例: ARRAY_DOWN ? プッシュ操作 representation[free] := x free := free - 1 capacity free 1representation
  • 8. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 8 スタックの表現例: LINKED ? プッシュ操作 new(n) n.item := x n.previous := last last := n item previous item item item last previous previous previous
  • 9. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 9 過剰仕様の危険性 ? これらの表現のいずれかをスタックの「唯一の」定 義として選ぶことは過剰仕様の典型的なケースの 1 つ ? 例えば,配列と整数と count と上限という ARRAY_UP の 特徴的な属性は,スタックの本質的な構造の理解とは無関 係 ? 特定の表現をしようとして使うことが悪い理由 ? ソフトウェアのコストの 17% 以上がデータ形式の変更を 考慮する必要から発生する( Lientz と Swanson による) ? 柔軟性の高いソフトウェアを生み出せない ? システムアーキテクチャの基礎としてオブジェクト 型を使おうとする場合,物理的表現よりも優れた記 述基準を見出さなければならない
  • 10. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 10 保守コストの内訳 42% 18% 12% 9% 6% 6% 4% 3% ユーザ要求の変更 データフォーマットの変更 緊急の修正 定期的なデバッグ ハードウェアの変更 ドキュメント作業 効率性向上のための修正 そのほか 出典: [Lientz 1980]
  • 11. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 11 オブジェクトを抽象的に見るには ? 操作を使う ? スタックの例の場合,「入れ物」構造を表している ? 特定の操作を適用できる ? スタックの一番上に要素をプッシュする( put ) ? スタックが空でなければ,スタックの一番上の要素を取り除 く( remove ) ? スタックが殻でなければ,一番上の要素が何か調べる ( item ) ? スタックが空かどうかを判定する問合せ ? 空のスタックを用意する( make ) ? 特定の属性を与えることができる ? スタックの容量
  • 12. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 12 名前の一貫性 ? 「入れ物」という高いレベルでのデータ構造を見る ため ? スタックは入れ物の種類の 1 つに過ぎない ? 正しい名前を選ぶことは再利用可能なソフトウェア にとって重要 ? 何万もの操作が提供されているライブラリでは系統的で明 確な分類学的命名法が必要 一般的なスタック操作名 ここで使われている名前 push put pop remove top item new make
  • 13. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 13 仕様記述を形式化する ? 非形式な記述では不十分 ? put はスタックの「一番上に」要素をプッシュする, ? remove は「最後にプッシュされた」要素をポップす る, etc. ? これらの操作が顧客に対して何をするかを詳細に知 る必要がある ? 抽象データ型( ADT )の仕様情報は以下から構成 される ? TYPES (型) ? FUNCTIONS (関数) ? AXIOMS (公理) ? PRECONDITIONS (事前条件)
  • 14. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 14 型を記述する ? 型とは関数,公理,事前条件によって特徴づけられ るオブジェクトの集合である ? 抽象データ型は1つのオブジェクト(特定の 1 つの スタック)ではなく,オブジェクトの集合の 1 つ (すべてのスタックの集合)である ? ADT の仕様記述によってあらわされたオブジェクト の集合に属するオブジェクトは,その ADT のイン スタンスである ●   STACK[G] TYPES
  • 15. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 15 総称性 ? STACK[G] の G は任意の制約されていない型 を表す ? G は抽象データ型 STACK の仮総称パラメー タと呼ばれ, STACK は総称的 ADT である という ? STACK は型ではなくて型のパターン ? スタック型を得るためには,仮パラメータ G に対 応する実総称パラメータを与える必要がある ? 「総称的に派生した( generically derived )」型 ? STACK[ACOUNT] は型となる ? STACK[STACK[ACOUNT]] という型もあり
  • 16. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 16 関数を列挙する ? ADT のインスタンスに適用可能な操作をリ ストアップする ? 関数のシグネチャのみの記述 ● put: STACK[G]×G → STACK[G] ● remove: STACK[G] → STACK[G] ● item: STACK[G] → G ● empty: STACK[G] → BOOLEAN ● new: STACK[G](→ STACK[G] の省略形) FUNCTIONS 直積 部分関数
  • 17. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 17 関数の分類 ? ある型Tについての操作は,以下のように分類可能 ? 生成関数: ? 矢印の右側にだけ T が現れる new などの関数 ? 問合せ関数: ? 矢印の左側にだけ T が現れる item や empty などの関数 ? コマンド関数: ? put や remove など矢印の両側に T が現れる関数
  • 18. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 18 AXIOMS (公理) ? 関数の値を与えるのではなく,それらの値の 属性を記述する 任意の x: G, s: STACK[G] について以下が成り立つ A1 ● item(put(s,x)) = x A2 ● remove(put(s,x)) = s A3 ● empty(new) A4 ● not empty(put(s,x)) AXIOMS 一番上の要素を取り 出すとプッシュする 前のスタックに戻る 一番上の要素は最後 にプッシュした要素
  • 19. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 19 スタックについて知っている2,3 のこと ? ADTの仕様記述は暗黙的なものである ? 適用可能な関数という形でオブジェクトの集合を暗 黙的に定義する.オブジェクトが何であるかではな く,どんな性質を有しているかによってオブジェク トを定義する ? 列挙されている操作だけがすべてではない ? 関数そのものもまた暗黙のうちに定義される.明示 的な定義の代わりに,公理を使って関数の属性を記 述する ? 列挙されている属性だけがすべてではない
  • 20. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 20 部分関数 ? remove と item ? スタック集合の全ての要素に適用できるわけではない ? 空のスタックからはポップできない,一番上の要素もない ? そのような関数は部分関数として記述 ? ? 全関数 ? 部分関数の例: ? inv(x) = 1/x ? inv: R → R ? inv の定義域は R-{0} ? remove や item の定義域をどうやって記述したらよ いか?
  • 21. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 21 事前条件 ? すべての操作をすべてのオブジェクトに適用 できるわけではない ? require 句では,その関数の定義域に入るた めに引数が満たさなければならない条件を示 す ● remove(s: STACK[G]) require not empty(s) ● item(s: STACK[G]) require not empty(s) PRECONDITIONS
  • 22. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 22 完全な仕様記述 TYPES ● STACK[G] FUNCTIONS ● put: STACK[G]×G → STACK[G] ● remove: STACK[G] → STACK[G] ● item: STACK[G] → G ● empty: STACK[G] → BOOLEAN ● new: STACK[G] AXIOMS 任意の x: G, s: STACK[G] について以下が成り立つ A1 ● item(put(s,x)) = x A2 ● remove(put(s,x)) = s A3 ● empty(new) A4 ● not empty(put(s,x)) PRECONDITIONS ● remove(s: STACK[G]) require not empty(s) ● item(s: STACK[G]) require not empty(s)
  • 23. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 23 真実以外の何物もない ? 過剰仕様にならずにデータ構造の本質的な属性をと らえる ? さきほどのスタックの仕様記述は,一般的なスタックとい う概念について知っておくべきことをすべて表している ? 代数学を用いて複雑な操作の並びを記述できる ? 計算を実行する過程は代数学の簡約化と同じ ? ADT の公理を使って複雑な式を簡約化できる ? 記号的な操作のみで可能 ? item (remove (put (remove (put (put (remove (put (put (put (new, x1), x2), x3)), item (remove (put (put (new, x4), x5)))), x6)), x7))) = ?
  • 24. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 24 抽象データ型からクラスへ ? 抽象データ型は,実装の問題とは無関係の高 レベルの記述メカニズムを提供する ? ? オブジェクト技術の基本構造となる
  • 25. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 25 クラス ? オブジェクト指向システムは,部分的あるいは完全に実装され た相互に作用する ADT の集合として構築される ? クラスを得るためには, ADT を準備し,実装を決めなければな らない ? 有効クラスを得るためには,実装に関する詳細をすべて用意し なければならない クラスは(部分的であっても良い)実装を伴う抽象データ型である 完全に実装されているクラスを有効クラス( effective class )という.部分 的にしか実装されていないか,全く実装されていないクラスを暫定クラス ( deferred class )という.クラスは暫定クラスか有効クラスのいずれかで ある. 定義:クラス 定義:暫定クラスと有効クラス
  • 26. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 26 有効クラスの作成方法 ? 有効クラスの構成 ? E1 ADT の仕様記述 ? E2 表現の選択 ? E3 関数( E1 )から表現( E2 )への対応 ? 特性と呼ばれるメカニズムの集合として表される ? 例:スタックの表現 <representation,count> ? representation は配列, count は整数 ? 例: put の実装 put(x: G) is do count := count + 1 representation[count] := x end
  • 27. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 27 暫定クラスの役割 ? 暫定クラスは分析と設計に役立つ ? オブジェクト指向分析では,実装に関する詳細は全く必要 とされない. ? オブジェクト指向設計では,実装の多くの側面を無視する ことができる.設計においては,システムの高レベルの アーキテクチャの属性に集中すべきである. ? 設計を助序に完全な実装に近づけていくにつれて,より多 くの実装の属性が追加され,最終的には有効クラスになる ? 関連する種類のオブジェクトのグループを暫定クラ スとして分類することで,以下の重要な役割を果た す ? 高レベルの再利用可能なモジュールを提供 ? 複数の変形に共通する振る舞いを把握 ? ソフトウェアアーキテクチャが非集中的で拡張可能である ことを保証
  • 28. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 28 抽象データ型と情報隠蔽 ? 情報隠蔽の設計方針 公開部分:ADT仕様記述(E1) 非公開部分: ?表現の選択(E2) ?特性による関数の定義(E3)
  • 29. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 29 より命令的な見方を取り入れる ? put: STACK[G]×G → STACK[G] ? 適用的な見方: ? スタックと要素を受け取り,新しいスタックを返す操作 ? オブジェクトを変更できる操作 ? G 型の引数を受け取るルーチン.新しいスタックを生成する代わり に,スタックの一番上に新しい要素をプッシュし,スタックを修正 する. ? ADT の公理 ? ルーチンの事後条件という句なる put(x: G) is require … (事前条件) do … (ルーチンの実装) ensure item = x not empty end
  • 30. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 30 オブジェクト指向によるソフトウェ ア構築 ? 基本は抽象データ型( ADT )という概念 ? ソフトウェアに必要なのは数学的な概念としての ADT ではなく,ソフトウェア の概念である ADT の実装 ? 実装は完全である必要はない ? システムはクラスの集合である.トップやメインプログラムは存在しない ? 集合は顧客と継承という 2 種類のクラス間関係で構造化される オブジェクト指向によるソフトウェア構築とは,抽象データ型の(その部分 的な実装も含む)構造化された集合として,ソフトウェアシステムを構築す ることである. 定義2 オブジェクト指向によるソフトウェア構築とは,(システムが保証しようと する機能や機能群ではなく)操作するオブジェクトの型から導かれるモ ジュールを基本に,すべてのソフトウェアシステムのアーキテクチャを構築 するソフトウェア開発手法である. 定義1
  • 31. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 31 暗黙性について ? ADT による仕様記述 ? x: POINT → REAL ? y: POINT → REAL ? Pascal のような伝統的なプログラミング言語による記述 ? type POINT = record x, y: real end ? 重大な違い ? Pascal の形式は閉じられていて明示的である.すなわ ち, POINT オブジェクトは 2 つのフィールドから構成されてい て,それ以外ではないことが示されている. ? Pascal の宣言は直積としての POINT の定義 ? ADT の関数宣言は,点の x と y について問い合わせることがで きることを示しているが,その他の問合せについても除外して いない ? ADT では,暗黙的に POINT の特徴を示している
  • 32. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 32 仕様 vs. 設計 ? ソフトウェア開発の段階 ? 初期の活動:仕様記述,分析 ? 後の段階:設計や実装など ? 仕様記述はどこで終わり,設計がどこで始まるのか? ? 設計から実装への移行は,単に 1 つの明示的な形式からもう 1 つの明示的な形式に移動することである. ? 設計の形式:抽象的で数学的概念に近い ? 実装の形式:具体的でコンピュータに近い ? オブジェクト技術はほとんど設計と実装の区別を取り去るもの である 仕様記述から設計へと進むとは,個々の抽象を上で示したように,例えば単 純な問合せを直積として表していくということである. 定義:分析(仕様記述)から設計への移行
  • 33. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 33 仕様記述は完了したか? ? ADT の仕様記述が完了したかどうかを判定する手法 は存在しない ? 完全性( completeness )という概念を取り入れる ?   特定の ADT に対する 1 つまたは複数の関数を含む良形( well-formed )の式 を f(x1,…, xn) とする.すべての xi が(再帰的に)正しく,同時に,それらの 値があれば, f の事前条件を満たす場合にのみ,この式は正しい. 定義:正しい ADT 式 その理論の公理によって任意の良形の式 e について,次の問題を解決できる 場合にのみ,型 T についての ADT 仕様記述は十分に完全であるとする. S1 ● e が正しいかどうかを判定する S2 ● e が問合せ式であり, S1 において正しいことが示されている場合に, T 型の          任意の値を含まない形式で e の値を表す 定義:十分な完全性
  • 34. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 34 仕様記述は完了したか? ( contd. ) ? ちなみに無矛盾性に似た概念として健全性( soundness )とい うのがある... ? ある公理系が健全であるとは,それによって証明された命題は 必ず真であることを意味する ? 完全性と逆の関係 ? 真ならば必ず証明できる ? ここら辺の話題を深く理解するには「計算論理」を学んでくだ さい ? エルブラン定理とかゲーデルの不完全性定理とか面白い話題が いっぱいあります... 任意の良形の問合せ式 e について,その公理群が e に対して多くとも 1 つの 値を導くことができる場合にのみ, ADT 仕様記述は無矛盾である. 定義: ADT の無矛盾性
  • 35. 2011/2/28 オブジェクト指向プログラミング入門 4 35 十分な完全性を証明する ? 任意の ADT 仕様記述における一般的な手続 きは存在しないが,特定の仕様については個 別に証明できることもある ? STACK の ADT 仕様記述を例に: ? 任意のスタック表現 e について以下を証明すれば よい ? e が正しいかどうかを判定できる ? 上記において e が正しく,その最も外側の関数が item か empty の場合, STACK[G] 型の値や STACK の仕様記 述の関数を全く参照せずに, BOOLEAN と G の値だけ を使って e の値を表現できる ? e の構造に関する帰納法で証明可能
  • 36. 次回予定 ? 日時:2011年3月7日(月)10:30 ~ ? 場所: LB  2 F / A 会議室 ? 内容:クラス 2011/2/21 オブジェクト指向プログラミング入門 4 36