Gekkan Dennou Club 141

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Text File | 1999-12-17 | 15.4 KB | 479 lines

おきらくＰｅｒｌプログラミング入門～～めざせ Perl マスター～～広井誠第１５回 ○オブジェクト指向（その１）今回から、いよいよ「オブジェクト指向」の話に入ります。プログラミングに興味のある方ならば、オブジェクト指向という言葉は聞いたことがあると思います。よく使われているオブジェクト指向言語にＣ++や Java があります。Ｃ++はオブジェクト指向プログラミングができるようにＣ言語を拡張したものですが、度重なる機能追加により複雑な言語仕様になってしまいました。このため、初心者がオブジェクト指向を学ぶには適していない、と言われています。その点、 Java は初めからオブジェクト指向言語として設計されたため、すっきりとした言語仕様を持っています。オブジェクト指向だけではなく、プログラミング入門用の言語として推薦するユーザーも多いようです。 Perl のオブジェクト指向はバージョン 5 で追加された機能ですが、Ｃ++のような複雑なものではありません。一般のオブジェクト指向言語とはちょっと変わっていますが、Perl らしい実装方法といえるでしょう。まずはオブジェクト指向について簡単に説明します。 ○オブジェクト指向とは？第５回で簡単に説明しましたが、プログラミングは模型を組み立てる作業と似ています。模型が大きくなると、一度に全体を組み立てるのは難しくなります。そのような場合、全体をいくつかに分割して、まずその部分ごとに作ります。最後に、それを結合して全体を完成させます。これは模型に限らず、あらゆる分野で使われている手法[*1]です。これは、プログラミングにも当てはまります。実現しようとする処理が複雑になると、一度に全部作ることは難しくなります。そこで、全体を小さな処理に分割して、個々の処理を作成します。それらを組み合わせて全体のプログラムを完成させるのです。今までのプログラミングでは、この部品に相当するのが「関数」です。関数の役割は、入力されたデータを処理してその結果を返すことです。つまり、関数は機能を表しているので、関数を部品とは見なすには少々無理があるのです。このため、全体を小さな処理に分割するにしても、機能単位で行われることが普通です。オブジェクト指向プログラミングでは、関数ではなく「オブジェクト(object: 物体)」を部品として扱います。私達の周囲にはいろいろな「モノ」がありますが、プログラムでいうオブジェクトとは何でしょう。たとえば、えんぴつを考えてみます。えんぴつには、色、長さ、固さ、などいろいろな性質がありますね。そして、えんぴつを使って紙に文字を書いたり、絵を描いたりすることができます。普通のえんぴつを使えば黒い文字を、赤えんぴつを使えば赤い文字を書くことができます。プログラムでは、このような性質をデータで表し、機能を関数で表すことになります。そしてオブジェクトとは、このデータと関数を結び付けたものなのです。今までのプログラミング言語では、データと関数を別々に定義するため、それを一つのオブジェクトとして表すことができません。赤えんぴつで赤い文字を書くにも、えんぴつの種類をチェックして赤い文字を書くようにプログラムしなければいけません。ところが、オブジェクトはデータと関数を結び付けたものなので、自分が何をしたらよいかわかっています。えんぴつオブジェクトに文字を書けと命じれば、それが赤えんぴつのオブジェクトであれば文字は赤に、黒えんぴつのオブジェクトであれば黒い文字となるのです。このように、オブジェクトはデータと関数を一つにまとめたものです。従来のプログラミングが全体を機能単位で分割するのに対し、オブジェクト指向プログラミングでは全体をオブジェクト単位に分割して、それを組み合わせることでプログラムを作っていきます。また、オブジェクトは現実の「モノ」を比較的容易に表すことができるので、人間にとって理解しやすいプログラムになります。ところで、データと関数を結び付けることは、従来のプログラミング言語でも可能です。オブジェクト指向はプログラミングの考え方のひとつであり、Ｃ++のようなオブジェクト指向言語を使わなくても、たとえば、Ｃ言語でもマシン語でも、その考え方にしたがってプログラムを作れば、オブジェクト指向プログラミングができます。実際、オブジェクト指向には様々な考え方があり、いろいろなオブジェクト指向言語が存在します。ですが、データと関数を一つにまとめたものをオブジェクトとして扱う、という基本的な考え方は、オブジェクト指向言語の元祖と言われる Smalltalk でも、Ｃ++、Java、Perl でも同じです。 note: [*1] 分割統治法といいます。 ○クラス、インスタンス、メソッド、継承次に、一般のオブジェクト指向でよく使われる、クラス、インスタンス、メソッド、継承について簡単に説明します。「クラス(class)」はオブジェクトの振る舞いを定義したものです。ここでデータを格納するための変数や、それを操作する関数が定義されます。クラスはオブジェクトの設計図にあたるもので、オブジェクトの「雛形」と呼ぶこともあります。クラスはオブジェクトの振る舞いを定義するだけで、アクセスできる実体は何も生み出していない、ということに注意してください。このクラスから実体として作り出されるのが「インスタンス(instance)」です。このインスタンスを「オブジェクト」と考えてください。インスタンスを生成する方法は、当然ですがプログラミング言語によって違います。Ｃ++や Java は new を使いますが、 CLOS (Common Lisp Object System) や拙作の Lisp インタプリタ VTOL では make-instance を使います。くどいようですが、「クラス」はオブジェクトの振る舞いを定義するだけで、実際にアクセスするオブジェクトが「インスタンス」である、ということに注意してくださいね。次の図を見てください。 ┌─ class Foo ─┐ ┌─ instance ─┐ │ │ │ │ │ 設計図 │─ インスタンスの生成 →│ 実体 │ │ │ │ │ └────────┘ └───────┘ │ │ │ ┌─ instance ─┐ │ │ │ └───── インスタンスの生成 →│ 実体 │ │ │ └───────┘ 図 1 : クラスとインスタンスの関係クラスはオブジェクトの定義を表すものですから、Foo というクラスは１つしかありません。これに対し、インスタンスはクラスから生み出されるオブジェクトです。クラス Foo に new や make-instance を適用することで、いくつでもインスタンスを生み出すことができるのです。クラスは設計図であり、それに従って作られるオブジェクトがインスタンス、それを作り出す工場が make-instance や new である、と考えるとわかりやすいでしょう。「メソッド(method)」はオブジェクトと結び付けた関数です。オブジェクト指向プログラミングでは、他の関数から直接オブジェクトを操作することはせず、メソッドを呼び出すことで行います。メソッドは、クラスが異なっていれば同じ名前のメソッドを定義することができます。たとえば、クラス Foo1 にメソッド bar が定義されていても、クラス Foo2 に同名のメソッド bar を定義することができます。そして、ここからが重要なのですが、あるオブジェクトに対してメソッド bar を呼び出した場合、それが Foo1 から作られたオブジェクトであれば、Foo1 で定義された bar が実行され、Foo2 から作られたオブジェクトであれば、Foo2 で定義された bar が実行されるのです。このように、オブジェクトが属するクラスによって、実行されるメソッドが異なるのです。これを「ポリモーフィズム(polymorphism)」と呼びます。この機能により、オブジェクトは自分が行うべき適切な処理を実行できるわけです。クラス、インスタンス、メソッドの関係を図に示すと、次のようになります。 ┌─ class Foo1 ─┐ ┌─ instance ─┐ │ │ │ │ │ 設計図 │── 生成 ──→│ 実体 │ │ │ │ │ └────────┘ └───────┘ │ ↑ │定義 │ ↓ │Write ┌── method ──┐ │ │ │ │ │ bar │←──────────────┘ │ │ Read └────────┘ 図 2 : クラス、インスタンス、メソッドの関係クラスという設計図が中心にあり、そこからインスタンスが生み出され、メソッドを使ってインスタンスを操作する、という関係になります。「継承(inheritance:ｲﾝﾍﾘﾀﾝｽ)」はオブジェクト指向の目玉ともいえる機能で、簡単に言うとクラスに「親子関係」を持たせる機能です。子供のクラスは親クラスの性質を受け継ぐことができます。プログラミング言語の場合、引き継ぐ性質は定義されたデータやメソッドとなります。プログラムを作る場合、今まで作ったプログラムと同じような機能が必要になることが多いのですが、継承を使うことでその機能を受け継ぎ、新規の機能や変更される機能だけプログラムする、いわゆる「差分プログラミング」が可能となります。あるクラスを継承する場合、その元になるクラスを「スーパークラス」とか「親クラス」、「ベースクラス」と呼びます。そして、継承したクラスを「サブクラス」と呼びます。この呼び方は言語によってまちまちで統一されていません。Ｃ++の場合は、元になるクラスを基本クラスといい、継承するクラスを派生クラスとか導出クラスといいます。たとえば、クラス Foo1 を継承してクラス Foo2 を作成しました。クラス Foo1 にはメソッド bar が定義されています。クラス Foo2 にメソッド bar は定義されていませんが、Foo2 のオブジェクトに対して bar を呼び出すと、親クラス Foo1 のメソッド bar が実行されるのです。メソッドの選択は次のように行われます。まず、オブジェクトが属するクラス Foo2 にメソッド bar が定義されているか調べます。ところが、Foo2 には bar が定義されていないので、スーパークラスである Foo1 に bar が定義されているか調べます。ここでメソッド bar が見つかり、それを実行するのです。このように、メソッドが見つかるまで順番にスーパークラスを調べていきますが、最上位のスーパークラスまで調べてもメソッドが見つからない場合は、エラーとなります。ところで、継承したクラスのメソッドとは違う働きをさせたい場合はどうするのでしょうか。これはとても簡単で、同名のメソッドを定義することで、そのクラスのメソッドを設定することができます。この機能を「オーバーライド(over ride)」といいます。メソッドを選択する仕組みから見た場合、オーバーライドは必然の動作です。メソッドはサブクラスからスーパークラスに向かって検索されるので、スーパークラスのメソッドよリサブクラスのメソッドが先に選択されるのは当然なことなのです。 ○Perl のオブジェクト指向さて、一般的な話はここまでにして、Perl のオブジェクト指向に目を向けてみましょう。 Perl の場合、クラスの定義やインスタンスを生み出すための特別の構文は用意されていません。クラスは「パッケージ(package)」で定義し、パッケージ内で定義された関数がメソッドとして扱われます。そして、オブジェクトは、リファレンスが指し示すデータにクラスの印を付けることで表します。つまり、Perl では配列でもハッシュでもスカラー変数でも、リファレンスで指し示すことができるものであれば何でも、オブジェクトとして扱うことができるのです。これには筆者も驚きました。Ｃ++ や Java ではクラスを定義するためのキーワード class があり、CLOS や VTOL ではクラスを定義する関数 defclass があります。そして、new や make-instatnce で生成されるオブジェクトは「インスタンス」として、他のデータとは区別されるのが普通[*2]です。逆に言えば、プログラミング言語によってオブジェクトの構造が決められているのですが、Perl の場合は違います。オブジェクトの構造はプログラマの都合で選択することができるのです。まあ、なんでもありの Perl らしいオブジェクト指向といえるのですが、初心者の方にはプログラミングの自由度が高すぎて、どうやって使ったらよいか戸惑うことにもなりかねません。筆者も Perl 本[1] の「クラスはパッケージに過ぎない」という項目を見た時は、「何でパッケージがクラスなんだ？」と頭の中に？？？が渦巻いたものです。パッケージは以前のバージョンから存在する機能ですが、ようするに、クラス定義はパッケージで代用する、という意味に過ぎなかったなのです。このように、Perl のオブジェクト指向は他のオブジェクト指向言語とはちょっと変わっているため戸惑うこともあるのですが、実際に使ってみると難しいことはありません。「簡単なことは簡単に。難しいことは可能に。」という Perl のポリシーは、オブジェクト指向にも貫かれているようです。まずは、パッケージ本来の使い方を説明しましょう。 note: [*2] これは既存の機能にオブジェクト指向を追加したハイブリッド言語の場合で、オブジェクト指向の元祖 Smalltalk では、全てのデータがオブジェクトとして扱われます。 ○パッケージとは？プログラムを作っていると、以前作った関数と同じ処理が必要になる場合があります。このような場合、皆さんはどうしますか。一番てっとり早い方法はソースファイルからその関数をコピーすることですね。ですが、ファイル数が増えてくると、そのうちに必要な関数がどのファイルに入っているかわからなくなってしまいます。もちろん find や grep を使って検索してもいいのですが、関数が必要になるたびに検索とコピーを繰り返すのは面倒ですね。このような場合、自分で作成した関数をライブラリとしてまとめておくと便利です。もともとパッケージは、ライブラリを作成するために使用される機能だったのです。ライブラリの作成で問題になるのが「名前の衝突」です。複数のライブラリを使う時に、同じ名前の関数や変数が存在すると、そのライブラリは正常に動作しないでしょう。この名前の衝突を避けるために package を使います。次の例を見てください。 package 'foo'; $a = 10; package 'main'; $a = 20; print $a; # 20 (main パッケージの $a を表示) print $foo::a; # 10 (foo パッケージの $a を表示) package は名前が所属するグループ（名前空間:namespace）を指定します。最初に foo というパッケージを宣言しました。そこで定義される関数や変数名はパッケージ foo に属します。次に、main というパッケージを宣言しました。一つのファイルの中で package を複数回使ってもかまいません。そのたびに名前空間が切り替わります。したがって、２番目の $a はパッケージ main に属する変数となり、最初の変数 $a と衝突することはありません。 print で $a の値を表示してみましょう。ここでは main パッケージのままなので、$a の値は 20 となります。他のパッケージの変数や関数は、「パッケージ名::名前」のようにアクセスすることができます。したがって、$foo::a は foo パッケージの変数 $a の値を表示します。foo::$a ではないので注意してくださいね。 Perl の場合、慣例として１つのパッケージには１つのファイルを割り当て、ファイル名はそのパッケージ名に合わせることになっています。したがって、 package の宣言はファイルの先頭で行われることが普通です。なお、package が省略された場合、そのファイルは main パッケージとなります。拡張子が .pm のファイルを「モジュール」と呼び、.pl のファイルを「ライブラリ」と呼びます。 Perl 5 ではモジュールを使うのが普通です。ライブラリをロードするには require を、モジュールをロードするには use を使います。ファイルがロードされる場合、そのファイルは読み込みの成否を示す値(1 or 0)を返すことになっています。つまり、最後に実行される文は return 1; や 1; のようなものでなければなりません。ご注意くださいませ。 ○次回は？ Perl のパッケージには、この他にも強力な機能が備わっているのですが、とりあえず package の宣言により名前空間が切り替わることを理解すれば、オブジェクト指向機能を使うことができるようになります。次回は簡単なプログラムを作りながら、具体的に Perl のオブジェクト指向を説明していく予定です。お楽しみに。 ―参考文献― [1] Larry Wall, Tom Christiansen, Randal L. Schwartz 共著「プログラミングＰｅｒｌ」改訂版オライリー・ジャパン 1997 [2] Sriram Srinivasan 著「実用Ｐｅｒｌプログラミング」オライリー・ジャパン 1998 [3] 井田昌之「new はやわかり Java」共立出版 1997 （ＥＯＦ）