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OOP言語の系譜(水色がOOP)

オブジェクト指向プログラミング(オブジェクトしこうプログラミング、: object-oriented programming、略語:OOP)は、オブジェクト指向考え方[1]を取り入れたコンピュータ・プログラミング手法である。オブジェクトとは大まかに言うとデータ(変数またはプロパティ)とコード(関数またはメソッド)の複合体を意味してるが、その詳細については様々な解釈が存在する。OOPに基づくプログラムはこのオブジェクトの集合を中心にして組み立てられる事になるが、その実装スタイルもまた千差万別である。

OOPの成り立ちにもまた諸説ある。オブジェクト指向プログラミングという言葉自体は、計算機科学者アラン・ケイが1972年から80年にかけて公開したSmalltalkの言語設計を説明する中で初めて生み出されている。なお、データとコードの複合体であるオブジェクトという用語を確立したのは1967年公開のSimula67であった。Simula67クラスオブジェクトの設計及び用法は手続き型プログラミングの機能拡張に近いものであったが、こちらもOOPの草分けと見なされるようになった。Smalltalkのプログラム内のあらゆる要素をオブジェクトとして扱い、メッセージパッシングで相互作用させる本来の意味でのオブジェクト指向設計は、哲学的かつ理論偏重のきらいがあったので実践面ではさほど広まらなかった。1983年に公開されたC++が契機となり、OOPはまた違った角度から注目されるようになった。最終的にこのC++の設計スタイルが物議を醸しながらもOOPの主流となるに到り、同時にOOPの三大原則とされるカプセル化継承多態性プログラミングパラダイムが確立されている。

目次

特徴編集

プログラミングパラダイムとしてのオブジェクト指向の確立は紆余曲折を経ており(後述)その詳細の解釈も様々であるが、一定の枠組みとなる三つの原則仕様(fundamental principle)が存在する。この三原則に従った言語仕様を総体的または部分的に備えたプログラミング言語がオブジェクト指向準拠と判別される。1~3はいわゆるOOPの三大原則とされるものであり、C++を契機にして提唱された。4はオブジェクト指向プログラミングという用語の発端となったSmalltalk設計の主軸であるが、現在では亜流となっている。

  1. カプセル化encapsulation
  2. 継承inheritance
  3. 多態性polymorphism
  4. メッセージパッシングmessage passing
カプセル化

従来のプログラムは、動作を表現するコードが状態を表現するデータを操作する形で記述されるのが一般的だったが、開発規模の拡大に伴い解決の難しいソフトウェアバグ原因の大半は、データの予期せぬ変動と各データ間の不整合である事が経験則で知られるようになって来た。そこでデータを中心にしてプログラムを組み立てようとする考え方が生まれ、その目的に沿うものとしてデータとコードの複合体であるオブジェクトに白羽の矢が立てられた。オブジェクト内のデータは基本的に同じオブジェクト内のコードだけが参照または変動可能とする仕組みが考案され、これがカプセル化と呼ばれた。データを変動させたコード位置の把握を容易にする為に、各データにアクセス出来るコードの範囲を厳密に定めたカプセル化の機能は、範囲外アクセスをコンパイルレベルで禁止して想定外のデータ変動をもたらす人的ミスを減らした。また、データを変動させるコードを呼び出すそのまたコード位置の把握も芋蔓式に必要となったので、コードにもアクセス許可範囲が定められた。更にアクセス範囲の広さにも段階がつけられ、特定の外部をも含んだ柔軟な内部隠蔽の設定が可能となった。

カプセル化を推し進めたものとしてプロトコルprotocol)がある。これはオブジェクトの構成要素を全隠蔽し、外部アクセス可能な要素だけを抜き出してまとめたものを、純粋抽象クラスまたは界面オブジェクトとして公開する仕組みを指す。仕組み的に外部公開される要素はメソッドに限られ、データもそれ専用のメソッドを通して参照ないし変動される。プロトコルは後述の多態性にも関連しており、特に動的ディスパッチを表現するメカニズムにもなった。多くのプログラミング言語ではインターフェースの名で知られているものである。

継承

プログラム内の膨大な数のデータは通常グループ化(構造体)されて扱われていたが、複数の構造体間にまたがる共通のデータ集合が数多く目に付くようになり、その冗長さと整合性の問題が浮き彫りとなっていた。これを解決する為に構造体=オブジェクトを複数の階層要素に分け、共通のデータ集合を親階層とし、子階層に親階層のアドレスを持たせて連結する構造が考案された。A階層から成る親オブジェクトから派生した子オブジェクトはA+B階層として構成され、これが継承と呼ばれた。コードから参照されたデータがB階層に無い時は、次のA階層に有るか探す仕組みとなり、この連鎖によって傍からは一つのオブジェクトとして存在した。データと同様に共通のメソッド集合も親階層にまとめられた。その応用として後述の仮想関数と同義である抽象メソッド集合だけの階層を独立させたインターフェースまたは純粋抽象クラスがあり、これを親階層として継承(実装)する行為はサブタイピングsubtyping)となった。サブタイピングは後述の多態性のメカニズムの一つでもある。なお、継承クラスで任意の機能を追加出来る継承は従来コードの再利用性を高めるとも考えられたが、深い継承がもたらす構成把握の難化が問題視されてほぼ否定された。継承による再利用性はクラスライブラリの使用内に留まっているのが現状である。

なお、子階層の次のリンク先となる親階層は一本だけでなく複数本持つ事も出来るので、複数の親階層+子階層によるオブジェクト構成は多重継承と呼ばれた。子階層が持つ親階層アドレスは一般にリスト化されており、自身に無いデータはリスト先頭の親階層から順々に検索された。その親階層が多重継承されてる場合も同様であり、それぞれの枝分かれには深さ優先検索が用いられた。前述のサブタイピングは多重で行われる事が多い。

多態性

アドホック多態性は単にソースコードの記述を一部自動化するものである。関数オーバーロードは引数の並び方によって同じ名前のメソッドをコンパイル時に自動的に差別化する機能である。演算子オーバーロードは、扱う数値の型に従って宣言された演算記号を関数名と見なすようにし、単項演算子なら右の数値を第一引数とし、二項演算子なら左右の数値をそれぞれ第一第二引数として関数呼び出しのコードが生成されるという仕組みだった。これらは静的な多態性とされる。

パラメータ多態性もソースコードの記述を一部自動化するものである。関数内またはクラス内の型指定部分をワイルドカードにして宣言しておき、ソースコード内で関数またはクラスが実装記述されると、その具体的な型指定を関数内またはクラス内のワイルドカードに当てはめたコード部分がコンパイル時に自動生成されるという機能だった。前者はジェネリック関数と呼ばれ、後者はより広い範囲を扱う事からジェネリックプログラミングと名付けられた。これらも静的な多態性に位置付けられている。

サブタイプ多態性は動的なものである。最も初期のOOPであるSimula67は、シミュレーション内で扱う多種多様なオブジェクトを継承によって体系化したが、コード部分の細かな違いは共通スーパークラスに属する共通プロシージャ内の分岐フローで処理していた。サブクラスの数だけ分岐構文が増える頻雑さを解消する為に、共通プロシージャをただの住所テーブルにしてサブクラスの実装時に同名プロシージャのアドレスを収納させ、共通プロシージャ呼び出し時にそのアドレスへジャンプするという機能が考案された。住所テーブルと化した共通プロシージャは仮想的存在と見なされたので、この機能は仮想関数と呼ばれた。動的ディスパッチはSmalltalkのオブジェクト設計に由来するものであり、その実装の仕方は様々でやや曖昧な仕様でもある。メッセージを受け取ったレシーバーがオブジェクト内部で動的な状態に従い動的な処理を行って結果を返すというランタイム環境上のプロセスが後に動的ディスパッチのカテゴリで括られた。分散コンピューティングを表現するオブジェクト間通信とそれに基づくソフトウェアコンポーネントも動的ディスパッチに該当するものである。仮想関数および動的ディスパッチと同義に扱われる用語に遅延バインディングlate binding)があるが、これはより幅広い意味を含みOOP外でも用いられる言葉である。多重ディスパッチは動的な関数オーバーロードに近いものである。関数コール時または関数ブロック内で、それぞれの引数が動的に型審査されて型変化(dynamic casting)された後に、その引数パターンに対応した同名関数または分岐ルーチンに処理が移行されるという動的変化プロセスを指した。ダブルディスパッチは多重ディスパッチの亜流的存在であり、二通りの考え方がある。動的型審査および型変化されるBオブジェクトを単一引数にしてAオブジェクトの仮想関数メソッドを呼び出す形態と、多重ディスパッチに用いる引数を二つに限定した形態である。いずれも実行時状態に応じた動的変化プロセスとなった。これは主にデータ集合を対象にして分類、解析、作用といった処理を連続的または再帰的に行うアルゴリズムで用いられた。

メッセージパッシング

これは従来のパラメータ付きサブルーチン呼出とリターン値のやり取りを別の視点から再解釈したのであり、基本はバイトデータ(メッセージ)の送受信でセレクタ(メソッド名)とパラメータ、そしてリターン値をやり取りする仕組みだった。オブジェクトのレシーバー(代表メソッド)が渡されたメッセージを解釈し、オブジェクト内部でそれに準じた処理を行い、結果をリターンした。パラメータとリターン値もまたオブジェクトだったので、リターン値をメッセージ内のパラメータにして後続のオブジェクトへ送る事もでき、そのリターン値にまた別のメッセージを送る事も出来た。Smalltalk設計では真偽値、数値、コードブロックもオブジェクトとなったので、真偽値または数値に対して規定の予約語(セレクタ)と併せたコードブロックをメッセージとして送る事で条件分岐や反復処理といった制御フローを表現出来た。オブジェクトを次々とメッセージとして送るのは順次処理となった。メッセージパッシングとは、オブジェクトにオブジェクトを引き合わせて、双方に関連した手続きまたは制御フローを発生させるルーチンワークを意味しており、この連鎖的かつ再帰的な繰り返しがプログラム全体の流れとなった。この斬新なパラダイムを実際のプログラムの形にする為には比較的緻密な設計が要求され、またパターン化されたプロセスにおいても柔軟さを維持する為のワンステップを必要とするので開発工数とCPU負荷が増大する欠点もあった。これが倦厭されてOOP設計の本質でありながら広くは支持されず、OOPに対する関心の焦点は本来は枝葉の部分であるはずのクラスのメカニズムに移る事になった。

Smalltalkの影響を受けた後継言語においても、あらゆるプログラム要素をメッセージで表現しようとする理論の追求は避けられ、例えば制御フローは制御構文で扱われている。またメッセージングに対する認識もシフトし、オブジェクトの代表となるメソッドがパラメータを受け取り多様な処理と移譲を行ういわゆるレシーバーの仕組み自体がメッセージングそのものと見なされるようになった。そのメカニズムを応用したオブジェクト間通信を実現するバイトデータの送受信もメッセージパッシングの代表例となった。また、オブジェクトのメソッドコールもメッセージと定義する見解も出たが、これは同時に物議を醸している。この様にメッセージパッシング設計の本質は見失われながらも、その側面的仕様は数々のOOP言語に導入されてもいる。

歴史編集

オブジェクト指向プログラミングという考え方が生まれた背景には、計算機の性能向上によって従来より大規模なソフトウェアが書かれるようになってきたということが挙げられる。大規模なソフトウェアが書かれコードも複雑化してゆくにつれ、ソフトウェア開発コストが上昇し、1960年代には「ソフトウェア危機 (software crisis)」といったようなことも危惧されるようになってきた。そこでソフトウェアの再利用部品化といったようなことを意識した仕組みの開発や、ソフトウェア開発工程の体系化(ソフトウェア工学 (software engineering) の誕生)などが行われるようになった。

このような流れの中で、プログラムを構成するコードとデータのうち、コードについては手続き関数といった仕組みを基礎に整理され、その構成単位をブラックボックスとすることで再利用性を向上し、部品化を推進する仕組みが提唱され構造化プログラミング (structured programming) として1967年[要出典]エドガー・ダイクストラ (Edsger Wybe Dijkstra) らによってまとめあげられた(プログラミング言語の例としてはPascal 1971年)。なお、それに続けて「しかしデータについては相変わらず主記憶上の記憶場所に置かれている限られた種類の基本データ型の値という比較的低レベルの抽象化から抜け出せなかった。これはコードはそれ自身で意味的なまとまりを持つがデータはそれを処理するコードと組み合わせないと十分に意味が表現できないという性質があるためであった。」といったように、ほぼ間違いなく説明されている。

そこでデータを構造化し、ブラックボックス化するために考え出されたのが、データ形式の定義とそれを処理する手続きや関数をまとめて一個の構成単位とするという考え方でモジュール (module) と呼ばれる概念である(プログラミング言語の例としてはModula-2 1979年)。しかし定義とプログラム内の実体が一対一に対応する手続きや関数とは異なり、データはその形式の定義に対して値となる実体(インスタンスと呼ばれる)が複数存在し、各々様々な寿命を持つのが通例であるため、そのような複数の実体をうまく管理する枠組みも必要であることがわかってきた。そこで単なるモジュールではなく、それらのインスタンスを整理して管理する仕組み(例えばクラスとその継承など)まで考慮して生まれたのがオブジェクトという概念である(プログラミング言語の例としては1967年のSimula 67)。

Simulaのオブジェクトとクラスというアイデアは異なる二つの概念に継承される。一つはシステム全てをオブジェクトの集合と捉え、オブジェクトの相互作用をメッセージに喩えた「オブジェクト指向」である。オブジェクト間の相互作用をメッセージの送受と捉えることで、オブジェクトは受信したメッセージに見合った手続き単位(≒関数)を自身で起動すると考える。結果オブジェクトは自身の持つ手続きのカプセル化を行うことができ、メッセージが同じでもレシーバオブジェクトによって行われる手続きは異なる――多相性(ポリモーフィズム)を実現した(このメッセージを受け実行される手続き単位は、メッセージで依頼されたことを行うための「手法」の意味でメソッドと呼ばれる)。この思想に基づき作られたのがSmalltalk1972年)であり、オブジェクト指向という言葉はこのときアラン・ケイによって作られた。

一方、Smalltalkとは別にSimulaの影響を受け作られたC++1979年)は抽象データ型のスーパーセットとしてのクラス、オブジェクトに注目し、オブジェクト指向をカプセル化、継承、多相性をサポートするものと再定義した(その際、実行時速度重視及びコンパイラ設計上の制約により、変数メタファである動的束縛の特徴は除外された)。これらは当初抽象データ型派生仮想関数と呼ばれ、オブジェクトのメンバ関数を実体ではなくポインタとすることで、継承関係にあるクラスのメンバ関数のオーバーライド(上書き)を可能にしたことで、多相性を実現した(この流儀ではメッセージメタファはオブジェクト指向に必須ではないものと定義し、オブジェクトの持つ手続きをメソッドとは呼ばずメンバ関数と呼ぶ)。この他、Smalltalkにある動的束縛の類似的な機能としてオーバーロード(多重定義)が実装されている。

Smalltalkはこの「全てをオブジェクトとその相互作用で表現する」というデザインに立ち設計されたため、全てをファイルと捉えるファイル指向オペレーティングシステムからの脱却と、プログラムをフロー制御された手続きと捉える手続き型言語からの脱却が行われた。そのためSmalltalkは自身がオブジェクト指向オペレーティングシステムでもあること、メッセージ・パッシングなどの特徴を持った。これは当時のプログラム言語としては特異的であり、ガベージコレクタを必要とし、高度な最適化が試される前のバイトコードインタプリタで実行される処理の重さも手伝って先進的ではありながら普及しがたいものであると捉えられた。また、メッセージでの多相性は、変数へのオブジェクトの動的束縛が前提となるため、静的型チェック機構でのサポートが難しく、C++等の実行時性能重視の言語にとって実装から除外すべき特徴となった。

C++の創始者ビャーネ・ストロヴストルップは、Smalltalkが目指したある種の理想の追求には興味が無く、現用としての実用性を重視した。そのため、C++の再定義した「オブジェクト指向」は既存言語の拡張としてオブジェクト指向機能を実装できることでブレイクスルーを迎え急速に普及する。Smalltalkが単なるメソッドの動的呼び出しをメッセージ送信に見立て、呼び出すメソッドが見つからないときのみメッセージをハンドリングできるようにした「省コスト版」の機構を発明し以降それを採用するに至った経緯も手伝って、メッセージ送信という考え方はやや軽視されるようになり、オブジェクト指向とはC++の再定義したものと広く認知されるようになった。

1980年代後半に次々と生まれたオブジェクト指向分析・設計論は、Smalltalkを源流とするオブジェクト指向を基に組み立てられた。そのころSmalltalkは商用展開こそされていたが広く普及しているとは言えず、一般にはC++での実装が多くを占めた。しかしC++はSmalltalkと思想的にかなり異なる点や、同様のことを実現する際の実装面での複雑さや制約が問題とされた。このニーズを受けC++の提示した抽象データ型にクラスを適用する現実的な考え方と親しまれたALGOL系の構文を踏襲しつつ、内部的には柔軟なSmalltalkのオブジェクトモデルを採用し、メソッドなどの一部用語やリフレクション、実行時動的性などSmalltalk色も取り入れたJavaが注目を集めた(1995年に登場。元々はモバイル機器向け言語処理系としてに開発された)。程なくSmalltalkやSELFで達成された仮想マシン(バイトコードインタープリタ)高速化技術の転用により実用的速度を得、バランス感覚に長けたJavaの台頭によってオブジェクト指向開発に必要な要素の多くが満たされ、1990年代後半からオブジェクト指向は広く普及するようになった。

OOP言語一覧編集

オブジェクト指向を総体的または部分的にサポートする機能を備えたプログラミング言語の公開は、1980年代後半から顕著となった。OOP言語の分類法は複数あるが、Smalltalkをルーツとするメッセージパッシングの構文が重視されてるか否かで大別される事が多い。そうでないものがOOP言語の主流となっており「C++」「Java」「C#」「Swift」などがその代表とされる。メッセージパッシングを重視するOOP言語には「Smalltalk」「Objective-C」「Self」などがある。言語仕様の中でオブジェクト指向の存在感が比較的高い代表的なプログラミング言語を以下に列挙する。

Simula 67 1967年

1962年に公開されたSimulaの後継版であり、クラスのプログラミング概念を導入した最初の言語である。現実世界の擬似モデルを観測するシミュレーション・プログラム制作用に開発されたもので、クラスを実メモリに展開したオブジェクトは、その観測対象要素となった。simulaのクラスは、サブルーチンに専用変数と補助プロシージャを加えた機能的小型モジュールに近いものであったが、継承と仮想関数という先進的な設計を備えていた事でOOPの草分けと見なされるようになった。C++、Java、C#の設計母体となった。

Smalltalk 1972年

メッセージパッシングのプログラミング概念を導入した最初の言語。数値、真偽値から変数、構造体、コードブロック、メタデータまでのあらゆる要素をオブジェクトとする概念を編み出した最初の言語でもある。オブジェクト指向という言葉は、Smalltalk開発者がその言語設計を説明する中で生み出された。オブジェクトの基礎的な振る舞いを規定する限られた予約語の他は、オブジェクトとメッセージのやり取りで制御構造を含めたあらゆるプロセスを表現出来た。また、専用のランタイム環境上でプログラムを実行する設計を応用して動的な多態性とセキュリティに繋がるモニタリングも実現した。これは後に仮想マシンと呼ばれるものとなり、JavaやC#に踏襲された。

C++ 1983年

C言語にOOPデザインを追加したもの。Simulaの影響を受けている。クラスのメカニズムが備えられて、カプセル化、継承、多態性といったOOP仕様を実装している。テンプレート機能例外処理、演算子オーバーロードを応用した関数オブジェクトなど様々なプログラミングパラダイムも導入された。元がC言語であるため、OOPから逸脱したコーディングも多用できる点が物議を醸したが、その是非はプログラマ次第であるという結論に落ち着いた。

Objective-C 1984年

C言語をOOPデザイン化したもの。こちらはSmalltalkの影響を受けており、それに準じたメッセージパッシングリフレクションのメカニズムが備えられた。OOP的には前述のC++よりも正統であると見なされた。制御構文が追加され、メッセージの仕様もやや簡素化されるなど実践上の便宜が図られており、Smalltalkよりもコーディングし易くなった。

Object Pascal 1986年

PascalをOOPデザイン化したもの。

Eiffel 1986年

PascalをベースにしてOOPデザイン化し、またジェネリックプログラミングを追加した。型付けは静的に限られ、非参照データを自動解放するガーベジコレクタを持ち、多重継承時の問題を回避する仕組みや例外処理など高い堅牢性を備えた。これらは後のJavaやC#の手本となった。

Self 1987年

メッセージパッシングの構文が中心となっている。動的な多態性を重視した言語であり、従来のクラスベースのオブジェクト設計に対して、システム側が用意したオブジェクトを複製して任意の拡張を施すプロトタイプベースのデザインを初めて実装した。Smalltalkと同様に専用のランタイム環境で実行されたが、これも実用面では初となる実行時コンパイラjust-in-time compiler)の機能が備えられて速度面でも画期的なものとなった。

CLOS 1988年

Common LispをOOPデザイン化したもの。

Python 1990年

インタプリタ式で動作する。言語仕様を簡素化し自動メモリ管理機能を実装して扱いやすく理解しやすいOOPを目指している。後のOOPスクリプト言語の手本となった。

Java 1995年

堅牢性と安全性を重視したOOP言語。その二つの理念を実現する為に、仮想マシン上の実行、ガーベジコレクタ、例外処理などを採用し、ポインタと直アドレス変数、多重継承、ジェネリックプログラミング、演算子オーバーロードなどを破棄した。破棄部分についてはその埋め合わせの設計も備えられた。クラスのメカニズムを中心にしたOOPであるが、様々なプログラミングパラダイムも追加されている。非常に整えられたハイブリッドOOP言語である。

Delphi 1995年

Object Pascalを発展させたもので、データベースの操作プログラム開発などを主な用途とした。一時期Javaの対抗馬となった。

Ruby 1995年

OOPデザインされたスクリプト言語である。インタプリタ式で動作する。スクリプトでありながら、クラス、マルチスレッド、例外処理、そしてソフトウェアコンポーネント(モジュール)を扱えるMixinといった利便性の高い機能も備えている。

JavaScript 1996年

ウェブアプリケーション開発を主な目的とするOOPスクリプト言語。主にプロトタイプベースでオブジェクトを扱う事でコーディングを簡便にしている。ECMAScriptとして標準化されている。ECMAScript 2015ではクラス構文をサポートするようになった。

C# 2000年

Javaを強く意識して開発されたOOP言語。.NET Frameworkなどの共通言語基盤上で実行される。Javaと同等または部分的に拡張させたスタイルを持ち、こちらもよく整えられたハイブリッドOOP言語として知られる。

Visual Basic.NET 2002年

Visual BasicをOOPデザイン化したもの。.NET Frameworkなどの共通言語基盤上で実行される。

Ceylon 2011年

Javaを元に開発され、その長所と短所を見直しつつ再設計されたOOP言語。Javaの改造版である。またJavaScriptにもコンバートできる。

Kotlin 2011年

Javaバイトコードを出力し、Java仮想マシン上で動作するJVM互換のOOP言語。オブジェクト指向プログラミングと関数型プログラミングの併用が指向されている。前者は全体的な枠組みに、後者は細部の実装に適しているとされる。

Swift 2014年

高度に整えられたマルチパラダイムプログラミング言語。クラスのメカニズムをベースにしたオブジェクト指向的言語仕様も導入されている。

OOP言語の仕組み編集

オブジェクト指向プログラミング言語は、相互にメッセージを送りあうオブジェクトの集まりとしてプログラムを構成することができる仕組みを持つ。 そのために、少なくともオブジェクトについての3つの仕組みと、オブジェクトの管理についての3つの仕組みが必要となる。

オブジェクトの仕組み
  • オブジェクトに蓄えられる情報、データを表現する仕組み。
  • 他のオブジェクトにメッセージを配送する仕組み。
  • 受け入れ可能な各種メッセージに対応して、処理する事柄を記述する仕組み(メソッド)。
オブジェクトを管理する仕組み
  • オブジェクト間の関係を整理分類して系統立てる仕組み。
  • 必要なオブジェクトを作成・準備する仕組み。
  • 不要なオブジェクトを安全に破棄する仕組み。

これらをどのように言語の要素として提供し、どのような機械語コードで実現するかによって様々なオブジェクト指向プログラミング言語のバリエーションが生まれる。以下、オブジェクト指向プログラミング言語が提供する様々な要素が上記の仕組みをどのように実現しているかについて概観する。

オブジェクトの概念と実装編集

オブジェクト (object) はオブジェクト指向プログラミングの中心となる概念であり、この概念を実際にどう実現するかはオブジェクト指向プログラミング言語により異なる。

以下、概念と実際がどう対応しているかについて説明する。

  • 概念的には各々のオブジェクトは、プログラムが表現する情報システムの中で能動的な役割を持った存在を表現している。
  • 概念的には メッセージを受け取り、その処理の過程で内部に蓄えたデータを書き換え、必要に応じて他のオブジェクトにメッセージを送るといった動作をしている。
  • 概念的には コードとデータが一つになっている。

オブジェクトの実装構造編集

実際のプログラムでは、全てのオブジェクトが互いに全く異なった存在ではなくオブジェクトは種類に分けることが出来る。

例えば勤怠管理のシステムであれば、氏名や年齢、累積勤務時間などのデータは異なっても社員は皆、出勤し退勤するという処理(振る舞い)は同じだろう。このように複数の異なるオブジェクトが同じ種類のメッセージを受け取り共通の処理をするのが普通である。

このような場合、各オブジェクトがそれぞれメッセージ処理のコード(前述の「振る舞い」に当たる)を独自に備えていては無駄である。そこでオブジェクト指向プログラミング言語がオブジェクトを実現する際には多くの場合、内部的にはオブジェクトを2つの部分に分けている。

同一種類のオブジェクトの間で変わらない共通部分

一つは同一種類のオブジェクトに共有される部分、例えばメッセージ処理のコード(振る舞い)や定数(どのオブジェクトでも異ならないデータ)の類である。

同一種類のオブジェクトの間で変わる個々の部分

もう一つは同一種類のオブジェクトでもそれぞれ異なる部分、典型的には各オブジェクトが保持するデータ群である。

クラスのオブジェクト化編集

動的型付けを採用するオブジェクト指向言語の多くは、クラスより生成するインスタンスの他にメタクラスという機能を持ちクラス自体をオブジェクトとして扱うことが出来る。このためオブジェクトには、インスタンスオブジェクトとクラスオブジェクトという2種類のオブジェクトが存在する。Java等クラスオブジェクトを持たない言語の文化圏では、インスタンスオブジェクトとオブジェクトを混同して説明される事があるが、Objective-CやPython、Ruby等、インスタンスオブジェクトとクラスオブジェクトが別であるオブジェクト指向言語では区別して説明される。[2][3][4]元々はSmalltalkから始まった用語である。

プライベートデータの扱い方編集

そしてあるオブジェクトOにメッセージを配送し適切なメッセージ処理コード(振る舞い)を呼び出す際には、まず対象となるオブジェクトOについて共通部分の格納場所を見つけて適切なコードを選び出し、次にそのコードに対して処理対象となるオブジェクトO固有のデータの所在を示すオブジェクトIDを渡すようになっている。

各オブジェクトの固有データを識別するオブジェクトIDを表現する方法も様々で、オブジェクトのIDとしては名前、番号なども用いられることがあるが、オブジェクトの固有データを記憶している主記憶上のアドレスがそのまま用いられることもある。アドレスを直接利用することは非常に実行効率の向上に寄与するが、プログラム間でのオブジェクトの受け渡し、セッション間(プログラムが終了して再度起動された時など)でのオブジェクトの受け渡しにはそのまま利用することができない。

また各オブジェクトの固有データから共通部分の格納場所を見つける方法もまた各言語により異なり、その言語の開発目的に応じて実に多種多様である。

JavaScriptの場合

例えばJavaScriptの場合、各オブジェクトは連想配列であり、名前で表現されたメッセージのIDからメッセージ処理コードである関数への参照を直接見つけ出す。各オブジェクトの固有データもその連想配列に格納されていて、メッセージを処理する関数には連想配列のアドレスが渡される。

Selfの場合

Selfのようなインスタンスベースのオブジェクト指向プログラミング言語では、プロトタイプとなるオブジェクトがメッセージを処理するコードも保持しており、オブジェクトがクローンされて作成されるときにそのプロトタイプのありかを示す情報もコピーされ、メッセージは受け取ったオブジェクトのIDを添えてプロトタイプに送られて処理される(Selfでは実行効率上の問題から後に内部的にクラスを作って利用するようになっている)。

クラスベースの言語の場合

最も普及しているクラスベースの言語では、共通部分はオブジェクトの種類を表現するクラスに保持され、各オブジェクトは固有データと共にそのクラスのIDを保持する。そしてオブジェクトに送られるメッセージはその送り先オブジェクトにあるクラスのIDからクラスを見つけ、その中からメッセージを処理するコードを見つけ出し、処理対象となっているオブジェクトのIDを付してそのコードを呼び出す仕組みになっている。

コンポジション編集

コンポジションは、複数のオブジェクトがある一つのオブジェクトの構成要素となっている巨大なオブジェクト群をいう。コンポジションのもとにあるオブジェクトは同一の生存期間を持ち、一つの巨大な仮想オブジェクトの構成部品として機能する。

メッセージ編集

メッセージ (message) はオブジェクト間の通信でやりとりされる情報である。メッセージはメッセージ種別を示すIDとメッセージの種別に応じた追加の情報からなる定まった形式を持つ。追加の情報はそれ自身が何らかのオブジェクトやオブジェクトのIDである場合もある。メッセージの配送には大別して2つの方式がある:

同期式
オブジェクトがメッセージの送信を依頼すると相手が受信、処理して結果を返すまでそのオブジェクトは処理を中断して待つ。
非同期式
オブジェクトがメッセージの送信を依頼した後、相手の応答を待たずにオブジェクトは処理を続行する。処理結果は別のメッセージとして返される。

両者とも一長一短がありどちらがすぐれているとは言えない。また並列・並行処理が可能な環境では一方の仕組みがあれば、それを利用してもう一方も実現可能である。一般的な傾向としては、メッセージの伝送や処理に時間が掛かる場合は非同期式の方が効率は良く、そうでない場合には同期式の方が挙動が分かりやすく利用しやすい。

並列処理並行処理システムを記述する言語や分散システムを記述する言語ではOSなどが提供するメッセージ機能や自前の配送メカニズムを使って非同期式でメッセージが配送される場合もあるが、一般にオブジェクト指向プログラミング言語ではその多くが同一のプログラム内の通信であるので同期式のメッセージ配送が利用される。特にコンパイルされるタイプのオブジェクト指向プログラミング言語では、しばしば特別なメッセージ配送の仕組みを用意せず、特別な形式の関数の呼び出しでメッセージの配送を直接に表現する。即ち、各メソッドを内部的には関数として実現し、メッセージIDはメソッド名で表し、関数の第一引数としてオブジェクトIDを渡し(この第一引数は多くの言語で特別な記法で表される)、追加の引数としてメッセージの追加部分の情報を渡すのである。こうするとメッセージ送信は直接的なメソッドの関数呼び出しとして表せる。ただし、プログラムで継承の仕組みが利用されている場合はプログラムのテキストからだけでは呼び出すべきメソッドが決定できない場合があるので、実行時にメソッドを決定するためにメソッド・サーチ仮想関数テーブルといった仕組みが必要となる。

多くのプログラミング言語においてメッセージは、メソッド呼び出しの比喩でしかないことが多い。SmalltalkやObjective-Cの様な言語では、メッセージはメソッド呼び出しとは独立した機構として存在している。メッセージが機構として存在する言語では、メッセージをオブジェクトに送信した際、宛先のオブジェクトにメッセージで指定したメソッドが存在しない場合でもメッセージを処理することが出来る。これを利用し、メッセージの配送先を別のオブジェクトに指定したり、メッセージを一時保存したり、不要なメッセージを無視する等といったメッセージ処理が行われる。

クラス編集

クラスベース編集

クラス (class) は大多数のオブジェクト指向プログラミング言語で提供されている仕組みであり、上記の機能の殆ど全てに関わりがある。概念的にはクラスはオブジェクトの種類を表す。このためオブジェクトはクラスに属するという言い方をする。あるクラスに属するオブジェクトのことをそのクラスのインスタンス (instance) と呼ぶ。データ型の理論から見た場合クラスは型を定義する手段の一つである。クラスによってオブジェクトを記述する言語をクラスベース (class-based) のオブジェクト指向プログラミング言語と呼ぶ。

ハイブリッド型オブジェクト指向プログラミング言語では在来のレコード型(Cでは構造体)の構文を拡張してクラスの定義を行うようにしたものが多い。

多くのオブジェクト指向プログラミング言語ではクラスをデータメンバメソッドの集まりとして記述する。平たく言えばデータ・メンバの集まりはオブジェクトが保持するデータの形式を定め、各メソッドはそれぞれオブジェクトが処理する特定のメッセージの処理方法を定める。しばしばデータ・メンバとメソッドには個別にアクセス権が設定できるようになっていて、そのクラスに属するオブジェクトが内部的に利用するものと他のクラスに属するオブジェクトに公開するものを分類できるようになっている。多くの場合、公開されたメソッドの集まりは全体として処理可能なメッセージのカタログの機能、即ちインタフェースを提供する。各言語によって異なるが特定の名前のメソッドを定めて、オブジェクトの生成や初期化時の処理、廃棄時の処理などを記述できるようにすることも多い。

多くの言語でクラスは言語の要素として直接実現されているが、これは実行効率のためであり、そのように実現することが必須というわけではない。実際、各クラスをそれぞれオブジェクトとして提供する言語も存在する(例:Smalltalk)。このような言語ではある種のリフレクション (reflection) が可能となる。即ち必要があればプログラムで実行時にクラスの動作を変更することが可能である。これは非常に大きな柔軟性を提供するが、言語処理系による最適化が難しいため実行効率は低下することが多い。近年[いつ?]では柔軟性と効率性を両立させるために基本的に言語要素としてクラスを提供した上で、リフレクション機能が必要なプログラムに対しては必要に応じて各クラスに対応するクラス・オブジェクトをプログラムが獲得できるようにしている言語が現れてきている。(例:JavaのリフレクションAPI)

プロトタイプベース編集

クラスは非常に多くのオブジェクト指向プログラミング言語で提供されている機能ではあるが、オブジェクト指向プログラミング言語に必須の機能というわけではない。実際にオブジェクトの管理や、データ・メンバやメソッドの記述、継承に際してクラスという仕組みに依存せずに、もしくはクラスという仕組み自体を持たずに別の手段でこれらを実現している言語も存在する。このような言語をインスタンスベース (instance-based)、オブジェクトベース (object-based) あるいはプロトタイプベース (prototype-based) のオブジェクト指向プログラミング言語と呼ぶ。インスタンスベースまたはそれに類するオブジェクト指向プログラミング言語には以下のようなものがある:

なお、クラスベースの言語とインスタンス・ベースの言語との間には明確な境界線はない。たとえば、インスタンス・ベースの代表格ともいえる Self には、traits と呼ばれるクラスのような仕組みが追加されているし、JavaScript、NewtonScript に至っては traits 類似の仕組みを「クラス」と呼称している。また逆に、クラスベースの言語でもクローンを行うメソッドを備え、委譲の仕組みを記述すればある程度はインスタンス・ベースのスタイルでプログラムを記述できる。

インスタンス・ベースの言語ではオブジェクトの生成は既存のオブジェクト、特にプロトタイプprototype、原型)と呼ばれるオブジェクトからのクローンによって行われる。当然、一群のクローンはその親、ひいてはプロトタイプと同一の種類のオブジェクトと見なされる。メソッドはプロトタイプ・オブジェクトに属し、メッセージは委譲によってそのオブジェクトが覚えているコピー元へ向かってプロトタイプまで順にメッセージが中継されてから処理される。新しい種類のオブジェクトが必要な場合は適当なオブジェクトをクローンした後で必要なデータ・メンバやメソッドを追加あるいは削除し新たなプロトタイプとすることで行われる。追加されたのでないメソッドに対応するメッセージについてはコピー元のオブジェクトに処理を委譲する。

クラスベースの言語との関係について考えてみると、クローンはプロトタイプと同一の「クラス」に属すると見なし、データ・メンバやメソッドが追加・削除されてあらたなプロトタイプが作られると別の「クラス」が内部的に生成されると考えることができる。ここでデータ・メンバやメソッドの追加のみを許して削除を許さないよう制限すればクローンの「クラス」がその親の「クラス」を継承した場合と同等になる。このためメッセージが委譲の連鎖をたどって配送されるという効率上の問題を無視すれば理論上、インスタンス・ベースの言語の記述能力はクラス・ベースの言語を包含していると言える。ただ、インスタンス・ベースの言語でも実行効率上の問題からなんらかのクラスに似た仕組みを備えている場合が多い。

データメンバ編集

データメンバ (data member) は、他のオブジェクトに対する参照ポインタであるか、他のオブジェクトそのものである。参照かポインタである場合にはそのデータメンバの参照するのはデータメンバが記述されているクラスそのもののインスタンスに対する参照であっても良い。

一般にデータメンバはインスタンスデータメンバインスタンスフィールド)とクラスデータメンバ静的変数)の2種類に大別できる。効率上の観点から言語が提供する基本オブジェクトの定数を表すデータメンバは特別扱いされる。そのような定数を表すデータメンバを特に定数データメンバ (constant data member) と呼ぶ。データメンバはC++などの言語ではメンバ変数 (member variable)、Javaなどではフィールドと呼ばれることがあり、UMLでは属性と呼ばれる。

インスタンスデータメンバ編集

インスタンスデータメンバ(一般に単にデータメンバと言われる場合はこちら)はそのクラスのインスタンス各々に保持される。インスタンスデータメンバの集まりはそのクラスのインスタンスが保持するデータの形式を定める。インスタンスデータメンバは単にデータメンバと呼ばれることも多い。

Smalltalkではインスタンス変数 (instance variable) と呼ばれる。

クラスデータメンバ編集

クラスデータメンバはそのクラスオブジェクトとインスタンスオブジェクトの間で共有されるデータである。

Smalltalkではクラスデータメンバはクラス変数 (class variable) と呼ばれる。また、C++Javaでは歴史的事情によりクラスデータメンバは静的データメンバ (static data member)、静的変数 (static variable)、静的フィールド (static field) と呼ばれる。

ただし、Smalltalkのクラス変数はC++やJavaのクラス変数とは異なる。Smalltalkにおいて、C++やJavaのクラス変数と同等となる変数はプール辞書 (pool dictionary) と呼ばれる。

メソッド編集

メソッド (method) は特定の種類のメッセージの処理方法を記述したものである。メソッドもインスタンス・メソッドクラス・メソッドの2種にできる。インスタンス・メソッドはそのクラスの各インスタンスオブジェクトを操作し、クラス・メソッドはクラスオブジェクトを操作する。メソッドとの集まりはそのクラスのオブジェクトが処理可能なメッセージのカタログの機能を果たす。

一例として、C++では、メソッドはメンバ関数 (member function) や関数メンバ (function member) と呼ばれる。これはC++がグローバル関数との区別をつけることと、クラスを抽象データ型の拡張と位置づけ、非メッセージメタファな言語思想を持っている為である。これら言語ではメソッドをオブジェクト(=クラスやインスタンス)の持ち物として捉えず、クラスに定義された機能要素であると考える。メッセージメタファを否定するため、同時にメッセージを実行するメソッド(手法)ではありえない。

クラスメソッド編集

クラス・メソッドだが、オブジェクト指向の本義に立ち返れば、クラス・メソッドがあるということはクラスがメッセージをレシーブできるという事になる。

クラスがメソッドを持つことは便利だが、クラスをオブジェクトとすると実行効率に劣るため、双方の利点を享受できるこのような折中的仕様を取る言語は多い。

C++ではクラスはオブジェクトでは無いが、一方でクラスに属するメソッドは存在する。

Eiffelではクラスはオブジェクトでは無いためクラスのメソッドであるクラス・メソッドは存在しない。

Smalltalkではクラスもオブジェクトの一種であるため当然クラスはメソッドをもつ。

各言語におけるクラスメソッドの呼称

クラス・メソッドは、C++では静的メンバ関数 (static member function) と呼ばれる。これはクラスがオブジェクトでない言語にとってはクラス・メソッドより正確な表現であり適切である。("static" とはCのstatic変数に由来しauto変数の対語である。関数コールによりスタック上に生成される関数インスタンスに依存しない変数と、インスタンス生成有無にかかわらず実行できる関数の類似による。)

Javaではクラス・メソッドは静的メソッド (static method) とも呼ばれることもある。

システムメソッド編集

言語によっては特定の名前のインスタンス・メソッドやクラス・メソッドにオブジェクトの生成、初期化、複製、廃棄といった機能を固定的に割り当てている。

コンストラクタとデストラクタ編集

初期化に利用されるメソッドをコンストラクタあるいは構築子 (constructor)、廃棄時に利用されるメソッドをデストラクタあるいは消滅子[要出典] (destructor) と呼んで特別に扱うことが多い。

コンストラクタが初期化だけを担う場合はイニシャライザあるいは初期化子 (initializer) と呼ばれることもある。

Javaはオブジェクトの寿命管理にガベージコレクションを用いるため、デストラクタをサポートしない。ただし、オブジェクトがガベージコレクションによって破棄されるときに呼び出されるファイナライザ (finalizer) をサポートし、Object#finalize()メソッドがその役割を果たす。ただし、ファイナライザはC++のデストラクタと違ってユーザーコードで明示的に呼び出すことはできない。ファイナライザが呼び出されるタイミングをプログラマが制御することはできず、最終防壁(フェイルセーフ)としての役割しか持たないため、Javaにおけるファイナライザは本当に必要でない限り使用するべきではない。C#もファイナライザをサポートする(構文はC++のデストラクタに似ており、かつてはデストラクタと呼ばれていたが、役割はJavaのファイナライザと同じである)。

データ型の理論においては保持されるデータが必ずその型で認められる正しい値の範囲に収まることを保証するため、生成されるオブジェクトのデータ・メンバが必ず適切なコンストラクタによって初期化されるように求める。またオブジェクトが入出力機器やファイルや通信、プロセススレッドウィンドウウィジェットなどハードウェアオペレーティングシステム (OS) が提供する資源を管理するために利用される場合に、コンストラクタやデストラクタでそれらの資源の使用開始(オープン処理)や使用終了(クローズ処理)をそれぞれ管理し、通常のメソッドでそれらにまつわる各種サービスを提供するようにすることで、それらのリソースがあたかもプログラム中のオブジェクトであるかのように自然に取り扱うことができるようになる(RAII)。

C++やJavaなどでは、コンストラクタはクラスと同じ名前を持ち、戻り値を持たないメソッドとして定義される。C++では一部のコンストラクタは型変換演算子として、また暗黙の型変換にも利用される。

ガベージコレクション編集

オブジェクト指向プログラミング言語では、オブジェクトへの参照ポインタが多用される。そのため、オブジェクトのメモリへの割り当てと破棄に関して、ガベージコレクションによる自動管理機能を備えているものが多い。ただし、すべての言語が備えているわけではない。例えば、C++はガベージコレクションを備えていない。

アクセスコントロール編集

オブジェクト指向プログラミングにおいて、オブジェクトは、カプセル化されておりブラックボックスである。したがって、処理するメッセージのカタログ、つまりインタフェースだけが利用者に公開され、内部の詳細は隠されるのが基本である。しかし、あるクラスのインスタンスの内部だけで利用されるメソッドまで公開してしまうと、利用者にとって煩雑である。また、定数データ・メンバのようなものは一々メソッドでアクセスするようにせず公開してしまっても、カプセル化の利点は失われず効率的でもある。そこで、オブジェクトを定義するプログラマが各データ・メンバやメソッドについて公開・非公開を設定できる機能を用意している言語は多い。

例えば、Javaでは、データ・メンバやメソッドの宣言にpublicと指定すれば、他オブジェクトから自由に利用でき(公開と呼ばれる)、privateと指定すればオブジェクト内だけで利用できるようになる(非公開と呼ばれる)。

しかし、ある機能を提供するのに、一個ではなく一群のクラスに属するオブジェクトでそれを記述するのが相応しい事例がある。そのような場合、関係する一群のオブジェクト間でだけデータ・メンバやメソッドを利用できれば便利である。それを可能にするための拡張がいくつか存在する。例えば、継承を利用しているときに、あるクラスが子孫にだけ利用を許可したいデータ・メンバやメソッドがある場合、Javaではprotectedを指定することでそれを実現できる(限定公開と呼ばれる)。また、ある一群の機能を実現するクラスのライブラリで、その実現に関連するクラスに属するオブジェクトだけがデータ・メンバやメソッド利用できるようにしたい場合も考えられる。また、Javaでは、ライブラリを構成するクラス群を表現するパッケージ (package) という仕組みがあり、特に指定がない場合は同一パッケージに属するクラスのオブジェクト間でのみデータ・メンバやメソッドを相互に利用可能である。その他にも、デザインパターンの一つであるFacade パターンでは、この仕組みがテクニックとして応用されている。また、C++ではフレンド宣言という仕組みがあり、あるクラスで外部非公開に指定されているデータ・メンバやメソッドについて、その利用を許可するクラスや関数のリストをクラス内に列挙することができる。

なお、public、private、protectedというキーワードは、多くのプログラミング言語で用いられているが、その示す意味は言語ごとに差異があるため、注意が必要である。

脚注編集

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  1. ^ コンピュータ・プログラミングのパラダイムについては『新しいプログラミング・パラダイム』などを参照: http://www.kyoritsu-pub.co.jp/bookdetail/9784320024939
  2. ^ Objective-Cプログラミ ング言語[1]
  3. ^ Classes ― Python v2.7.3 documentation[2]
  4. ^ クラス/メソッドの定義 (Ruby manual) [3]

関連項目編集