構造化プログラミング

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構造化プログラミング(こうぞうかプログラミング|: structured programming)は、コンピュータプログラムに「構造」の考え方を導入してソフトウェアの開発効率と品質の向上を図ったプログラミング技法である。今日の「構造化プログラミング」は一般に誤解を招く言葉になっており、以下の3つの解釈が存在している。

  1. 1969年に計算機科学者のダイクストラが発表した論文[1]で示された手法。構造化プログラミング(structured programming)という言葉はこれが初出となる。論文の内容はプログラムの構造設計に関するものであり、抽象から細部へのトップダウン設計、抽象データ構造と抽象ステートメントを定義するモジュール、共同詳細化といった考え方が提唱されていた。
  2. 1966年に計算機科学者のベームとヤコピーニが発表した論文で示された手法。内容は制御フローの正規化に関するものであり、順次、選択、反復の三つの手段(と補助的なフラグのスタック)によりあらゆる制御フローを表現できると提唱し、その数学的証明が添えられていた。本来はベームとヤコピーニの証明と呼ぶべきものだが、後年に幾つかの事情から構造化定理(structured theorem)として紹介された為にダイクストラの構造化プログラミングとの混同を招く事になった。
  3. IBMのハーラン・ミルズ英語版(Harlan Mills)の提案に由来するgoto-lessプログラミング。

今日の構造化プログラミングに対する一般的な認識は(3)になっている。しかし(1)のダイクストラが提唱した理論が本来の意味での「構造化プログラミング」であり本稿では(1)について説明する。(2)については「構造化定理」が該当記事になる。

一般認識としての構造化プログラミング[編集]

正確な定義をさて置くと、国内における構造化プログラミングの一般認識はコーディングレベルのテーマであり、プログラム文にブロック単位の制御構造(control structures)を導入する事を意味する。ブロックとは括弧記号またはBEGIN&ENDなどで区切られた一行以上のステートメントのかたまりであり、それぞれは直列または入れ子状に配置される。視覚的に判別しやすいブロックの起点と終点が自動的にフロージャンプの位置指定になるので、結果的に無差別ジャンプのgoto文を使わないで済むようになる。制御構造には以下の四種がある。

  1. 順次sequence)ステートメントを順々に処理する。
  2. 選択selection)条件式の結果に従って次に実行するステートメントまたはブロックを選択してフロー分岐する。
  3. 反復repetition)特定の状態の間、ステートメントまたはブロック内を繰り返す。状態の確認は反復起点時または反復終点時の二通りある。
  4. サブルーチンsubroutine)これをコールした次のステートメントに復帰(return)する事を前提にして対象ブロックの起点にジャンプする。終点に達すると自動的に復帰する他、任意の途中位置でも復帰できる。

また制御構造の補助構文は、上述のサブルーチンからの復帰return)、現行反復ブロック終点の次のステートメントにジャンプする離脱break-out)、現行反復ブロック終点にジャンプして結果的に起点に戻る中断discontinue)の三種が標準とされる。

順次、選択、反復の描写図(青はNSダイアグラム、緑はフローチャート)

概要[編集]

1969年度北大西洋条約機構ソフトウェア工学評議会のワーキングペーパーに計算機科学者エドガー・ダイクストラは「構造化プログラミング」と題した一文を寄稿している[1]。その論旨はいわゆるソフトウェア危機の解決策として従来のボトムアップ設計からトップダウン設計への移行を推奨するものであった。ソフトウェア工学の中でトップダウン設計の必要性が公に提唱されたのはこれが初回とされる[要出典]

論文の前半では、プログラムサイズの肥大化に伴い、各プログラム部品およびそれらを組み合わせた際のプログラムの正当性(program correctness)の立証(demonstration)に必要な労力が指数的に増加して完遂が不可能になるというソフトウェア危機の問題について述べている。ダイクストラはプログラムの正しさに対して証明を与える従来の研究を分析して、証明の手続きを考えずに書かれたプログラムは証明に必要な労力がプログラムのサイズに対して爆発するとし、「与えられたプログラムに対してどうやって証明をするか」ではなく「証明がしやすいプログラムの構造とは何か」についてフォーカスするとした。

後半ではそのための方法について説明している。まず推論しやすい構造として、ステートメントが順に並んだだけのものを挙げている。また、if文1つだけも推論しやすいとしている。しかし、if文がN個並んだ場合、そのままでは2のN乗ステップの推論が必要であるとしている。そこでif文を抽象ステートメントで1つずつ置き換える段階的抽象化step-wise abstraction)により、Nに比例する推論で正しさを示せるとした。また、そのためには制御のジャンプを制限し、制御構造は順次の他に、選択、反復、および手続き呼び出しに限るべきとしている(なお、順次、選択、反復のいわゆる制御構造(control structures)に触れているのはこの文節だけである)。その上で、この例のように詳細なプログラムを抽象化abstraction)していくのではなく、逆に抽象的なプログラムから始めて詳細化refinement)していくというやり方を示している。

詳細化の際には共同詳細化joint-refinement)という考え方が示されている。これは抽象データ構造の詳細化と共にそれを扱う抽象ステートメントを同時に詳細化し、それを1つのプログラムテキストのユニットに分離するというものである。このユニットをダイクストラは真珠(pearl)と呼んだ。また、抽象的な真珠が1段階具体的な真珠に依存し、その真珠がさらに具体的な真珠に依存していったものをネックレスに例えた。そしてネックレスの上部は下部に関わらず正しさを証明することができ、また下部を取り替えることでプログラムのバリエーションを労力をかけずに作れるとした。

歴史[編集]

コンピュータが実用化され、その有用性が認められるようになるにつれ、その上で動作するプログラムは次第に大規模なものとなっていった。ソフトウェアの低品質、納期遅れ、予算超過が頻発し、大規模なプログラムを正当に動作するように記述することの困難さが認識されるようになった[2][注釈 1]。遡れば、コンピュータ・プログラムのデバッグという仕事の大変さについて1949年に感じた、ということを自伝に残しているウィルクスが、その後に、アラン・チューリングが「大規模ルーチンの検証」といったことを話していた、と書いている。

1960年代ではプログラムはフローチャートによる設計が広く採用されており、goto文も広く使われていた[3][4]。その一方でgoto文の多用はプログラムの質を下げるという性質や、多くのプログラムはgotoを使わずに記述できるという性質が経験則として知られていた。例えば1959年のハインツ・ツェマネクによるgoto文への疑問[5]。1960年から始まるD. V. Schorreによるインデントで制御の流れを表すアウトライン形式のプログラム記述、1963年のPeter Naurのgo to文に隠れたfor文の指摘、その翌年のGeorge Forsytheによるアルゴリズムからのgo to文除去、1965年のダイクストラや1966年のPeter Landinによるgo to文なしプログラミングの実験に関する発表が挙げられる[3]

そして1966年コラド・ベームジュゼッペ・ヤコピーニによって、任意のフローチャートは基本フローチャートの組み合わせによる等価なフローチャートに変換できるという定理が示された[6]。この定理は後に、IBMの研究員ハーラン・ミルズ英語版らによって構造化定理(Structure Theorem)として再定義された[7][注釈 2]。なお前述のように、これを構造化プログラミングと結びつける論者は大変多いが誤解である。

1968年にダイクストラは“Go To Statement Considered Harmful”[5][8]という記事を発表し、大きな反響を呼んだ[9][10]。この騒ぎがきっかけで構造化プログラミングを知った者が多いことを示して、クヌースは「go to文を用いた構造化プログラミング」の中で「go to 文除去の話の二番目の場面は,多くの人たちが第一幕だと思っている事実である.」[訳語疑問点]とこの騒動を指して評している。1980年代にマイコンが普及した際に、そのBASICにおいて(由来などの詳細は全く曖昧なまま)「GOTO命令を使わないのが『構造化プログラミング』」などと言われたりしたなど、騒動の影響は後年まで残った。[注釈 3]

1968年、NATO主催のソフトウェア工学会議[11]ソフトウェア危機が共通認識となったとき、ダイクストラは時が来たと考えた[12]。当時、ダイクストラを含むソフトウェア危機の存在に気づいていた人々は、プログラミング活動に対する変化の到来を予測していた。しかしこの転換期が訪れるまで、世間一般はそれを受け入れる準備ができていなかった[12]

翌1969年、再び開催されたNATOのソフトウェア工学会議において、ダイクストラは「構造化プログラミング(Structured Programming)」という語を提唱した[1][注釈 4]。ダイクストラはこの提唱において goto 文に一言触れただけで[注釈 5]、プログラムサイズが大きくなったとしても正しさを証明できる良く構造化されたプログラム(well-structured programs)、大きなプログラムの理解を助ける段階的な抽象化(step-wise abstraction)、抽象データとその操作の抽象文の共同詳細化(joint refinement)、そして真珠のネックレスに例えたプログラムの階層化について述べた。

ダイクストラは、構造化プログラミングという言葉を作ったとき2つの失敗をしたと述べた。商標登録しなかったことと定義しなかったことである[13][12]。そのため、構造化プログラミングは標語(スローガン)となってしまい、IBMのプログラミング規範をまとめたIPT(Improved Programming Technologies)によって当時のプログラマに広く流布した[14][15]。構造化プログラミングはIBMによって発明されたと信じる者も数多く存在した[16]。しかしIBMの構造化プログラミングは、ダイクストラのそれとは異なるものであった[17][18]。産業界や米国ではダイクストラの原則はむしろ不人気でさえあった[19]

1980年代以降、ソフトウェア工学の分野はプログラミング言語や方法論から組織やプロジェクトの管理手法へと軸足を移していた[15]。1987年の第9回ソフトウェア工学国際会議(ICSE)において、IBMの研究員ハーラン・ミルズ英語版は会場にチューリング賞受賞者がいないことを確かめると「ダイクストラホーア達はどこへ行ってしまったのか。我々はもう彼らから学ぶものがないのか。」とその現状を批判した[20][21]

しかし、木村泉の見解が当たっていたとするならば、「ソフトウェア工学」をそういったものにしていった張本人こそが、その発言をしたハーラン・ミルズであるということになる。ミルズは「構造化定理[注釈 2]という言葉を作り、IBMの研究員の立場を利用して、構造化プログラミング構造化定理を混同させたと言える。

後年、ダイクストラは自身が作った構造化プログラミングという言葉に不快感を示し、避けるようになった[22]。この言葉を名付けたとき、かれはプログラミングが手工芸から科学へ発展することを予測していた[13]。しかし構造化プログラミングという言葉は実利を求めるために使われるようになった[22]。次のような逸話がある。ヨードンの会社に依頼の電話がかかってきた。部下全員に構造化プログラミングなどの構造化技法を1日で叩きこんで欲しいという内容である。それが終わったら開発期間を半分にするという。なぜなら「構造化技法は生産性を2倍にしますから」というものであった[23]。かくして構造化プログラミングは、ダイクストラの期待とは異なった形で世に広まっていくことになる。

誤解[編集]

ミルズによるgoto-lessプログラミング[編集]

歴史的経緯から、構造化プログラミングはIBMのハーラン・ミルズ英語版(Harlan Mills)の提案に由来するgoto-lessプログラミングとして一部分を切り取られた形で広く知られている[24][25][26]。むしろそれこそが「構造化プログラミング」(あるいは「goto有害論」)であると信じて書かれている文献も多い[27]

岩波情報科学『算法表現論』[注釈 6]p. 58 から言葉を借りるならばその実態は「プログラマー(職業としてではなく職種としての)に if …if … else …while … だけを使用させ,goto の使用を禁止すれば,ダメな連中でも少しはましなプログラムを書いてくるだろう」というもので、「広く影響を及ぼしたが,内容は Dijkstra(ダイクストラ)流とはほとんど無関係」である。

三つの構造化文[編集]

事実[編集]

まず、以下のことに関してダイクストラが主張した、というのは事実である。

ダイクストラは“Go To Statement Considered Harmful”[5]および“Structured Programming”[1]において、好ましい構造としてプロシージャ呼出し(サブルーチン)の他に「順次」「選択」「反復」の3つを挙げた。ヴィルトはこれらを構造化文(structured statement)と呼んだ [28]。goto文を避けて構造化文を用いるようプログラマーに教えることが、構造化プログラミングの伝統的な知恵である[29]

構造化定理と誤解[編集]

以上の事実は、後年の多くの論者により構造化定理(Structure theorem)と結びつけられ、「構造化定理が示すように、goto文を使わなくても、順次・反復・分岐の組み合わせのみでプログラムは書ける。構造化プログラミングとは要するにgoto文を排除してプログラムを書くことである。」との誤解が広まった。「構造化プログラミング」と「構造化定理」の名前の類似(日本語でも英語でも)や、「goto有害説」という表現のインパクトも誤解の拡大に拍車をかけた。

構造化定理によってgoto文なしでもプログラムが作成可能なことが示されるのは事実である。しかし、構造化定理はフローチャートやそれによって表現されるプログラム・関数・チューリングマシンなどの理論的側面に注目した定理であり、良いプログラムの作成方法を示すことを(少なくとも直接的には)意図したものではない。これは任意の論理回路がNAND素子の組み合わせによって表現できるとか、λ式がSおよびKという名の2つのコンビネータによって表現できるとかいった研究に近い。回路設計者がNAND素子のみを組み合わせて電子回路を設計しないのと同じように、良い構造を持ったプログラムを作成する方法論は構造化定理とは別の話である。

クヌースは文献[3]において、良い構造が重要なのであり、良い構造はFORTRAN, COBOL, アセンブリ言語でも記述できるとした。一方で、(構造化定理により)機械的にgotoを除去する変換を掛けたプログラムとは実際にどんなものになるのか、変換法の一例を示し、1つのループがプログラム全体の振る舞いを含んでしまうため、抽象化レベルという点では無意味であるとした[3]。クヌースがそこで実際に示した、「機械的にgotoを除去」したコードと同様のものが 構造化定理#単一の while ループ、この定理の民間伝承バージョン に示されているが、見ればわかるようにgotoを使っていないというだけで、手続きのわかりやすい表現には全くなっていない。曰く「これですべての goto 文を除去できたわけであるが,実際にはすべての構造を失ってしまっている.」というわけである。

ダイクストラも“Go To Statement Considered Harmful”においては最後の段落で、goto文の(論理的な)余分さを証明したようだと軽く触れたのみであり、作られるフローチャートは元のものより正しさの証明が簡単になるとは思えないためジャンプを含まないフローチャートの機械的な作成は推奨しないとした。

また、“Structured Programming”[1]や“Structured Programming with go to Statements”[3]においては制御構造だけではなく、抽象データ構造の重要性も主張されている。加えて1972年、オルヨハン・ダール、ダイクストラ、ホーアによる書籍“Structured Programming”[30]においてはSimulaによるクラスを使ったプログラムの階層化の考え方も紹介されている。これらの考え方は後の本格的なオブジェクト指向へと発展する。例えばC++の開発者であるビャーネ・ストロヴストルップはオブジェクト指向について解説した記事“What Is Object-Oriented Programming?”[31]において抽象データ構造の発展としてオブジェクト指向を解説し、そのための手段としてSimulaの機能を紹介している。

脚注[編集]

注釈[編集]

  1. ^ ソフトウェア危機の始まりと構造化プログラミングの歴史について[2]の第23章に詳しい。
  2. ^ a b Harel,David (1980)."On Folk Theorems"(PDF)のP381の左列の中央にハーラン・ミルズ(Harlan Mills)が未公表の講義資料の中で "The Structure Theorem" と名付けたことが書かれている。この資料の出典[67]が1972年のため構造化定理が発明されたのは1970年代初頭と推測される。
  3. ^ 直接は無関係だが、ダイクストラはBASIC批判の急先鋒でもあった。マイコン普及以前の1970年代に既に、BASICでプログラミング教育をすべきでない、と強く主張している(wikiquote:Edsger W. Dijkstra#How do we tell truths that might hurt? (1975))。
  4. ^ このカンファレンスの発表が「構造化プログラミング」という語の元であるという主張の出典は[3]
  5. ^ "statements transferring control to labelled points" という言葉で一応 goto 文に触れている[1]
  6. ^ 木村泉・米澤明憲共著だが、該当部の担当は木村による。

出典[編集]

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  10. ^ 木村泉, "GO TO 論争:第3部 解説", bit, Vol.7, Issue 5, 1975, pp.27-39, 共立出版.
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  25. ^ 金藤, 栄孝、二木, 厚吉「有限状態機械に基づくプログラミングでのgoto文使用の是非 : Hoare論理の観点から」『情報処理学会論文誌』第45巻9, 2004、 2124-2137頁、 NAID 110002712260
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  30. ^ O.-J. Dahl and E. W. Dijkstra and C. A. R. Hoare, Structured Programming, Academic Press, London, 1972
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参考文献[編集]

関連項目[編集]

関連人物

外部リンク[編集]