高校「情報Ⅰ」単語帳 - アルゴリズムとプログラミング

コンピュータプログラム (computer program)

コンピュータが行うべき処理を順序立てて記述したもの。広義の「ソフトウェア」の一部であるが、実用上はプログラムとソフトウェアはほとんど同義のように扱われることが多い。

現代のコンピュータではプログラムは一定の形式に従ってデータとして表現され、記憶装置(メインメモリ)に格納される。実行時にはCPU(中央処理装置)がプログラムに記述された命令を順番に読み出して解釈・実行していく。

プログラムを作成する作業や工程を「プログラミング」(programming)、これを行う人や職種のことを「プログラマ」(programmer)という。人間がプログラムを記述する際には、人間が理解しやすい人工言語である「プログラミング言語」(programming language)を使うことが多い。プログラミング言語で記述されたプログラムを「ソースコード」(source code)という。

ソースコードはコンピュータが解釈・実行することができないため、コンパイラなどの変換ソフトによってコンピュータが解釈・実行できる機械語(マシン語)などで構成された「オブジェクトコード」(object code)に変換されてから実行される。スクリプト言語のように、この変換処理を開発時には行わず、実行時にインタプリタなどのソフトウェアによって動的に行う場合もある。

狭義には、プログラミング言語やそれに相当する仕組みや道具を用いて、人間が読み書きしやすい形式のプログラム(ソースコード)を記述していく「コーディング」(coding)作業を指す。広義には、その前後に行われる、設計や試験(テスト)、修正(デバッグ)、実行形式や配布形式への変換(コンパイルやビルドなど)といった一連の作業を含む。プログラミングを行う人や職種のことを「プログラマ」(programmer)という。

プログラムの作成

プログラミングを行うには、まず何をするプログラムを作るのかを明確に定義し、仕様や要件を自然言語で記述したり、大まかな処理の流れを箇条書きやフローチャートなどの図表を用いて設計する。集団でソフトウェア開発を行う場合はプログラムの記述者とは別の設計者が専門に作業を行い、仕様書や設計書などの形でまとめる場合もあるが、個人が小規模のプログラムを作成する場合はこの工程を頭の中で行い、作業や手順としては省略する場合もある。

どんなプログラムを作りたいか決まったら、これをコンピュータが解釈できるプログラミング言語を用いてソースコードとして記述していく。言語やプログラムの記述法には様々な種類があるが、手続き型の言語(手続き型プログラミング)の場合、実行すべき命令を先頭から順に書き下していく。必要に応じて、複数の命令をひとまとめにして名前をつけて呼び出せるようにしたり(関数やサブルーチンなど)、条件分岐や反復(繰り返し)などで命令の流れの制御を行う。

プログラムの実行

ソースコードそのものはコンピュータ(の処理装置)が解釈・実行できる形式ではないため、これを機械語(マシン語)のプログラムなど実行可能な形式に変換する必要がある。ソースコードを機械語などのコード(オブジェクトコード)に変換する工程をコンパイル(compile)と呼び、プログラムの起動処理やライブラリなど実行に必要なコードを連結する工程をリンク(link)という。これら一連の工程を行って実行可能ファイルやパッケージを作ることをビルド(build)という。

スクリプト言語(軽量言語)などの場合はこうした明示的な変換工程は不要で、ソースコードを機械語に変換しながら同時に実行するインタプリタなどの処理系で直に実行することができる。記述したコードをすぐ実行でき手軽だが、変換しながら実行するため実行可能ファイルを生成する場合より実行速度やメモリ効率では劣る。

プログラムの修正

作成したプログラムが一度で完全に思い描いたとおりに動作する場合もあるが、大抵は何らかの誤りや不具合を抱えているものである。このため、ビルドしたプログラムを実行してみてテスト(動作試験)を行い、仕様通りに動くか調べる。

誤り(バグ)が発見されると原因や解決策を考え、正しく動作するようにプログラムを書き換える(デバッグ)。バグには単純な記述ミスのようなものから、そもそも解くべき問題に対して選択した計算手順(アルゴリズム)が合っていないといった根本的なレベルのものまで様々な種類がある。

デバッグ作業が完了したら再びビルドとテストを行い、誤りが正されていることを確認する。このビルド→テスト→デバッグの繰り返しによって次第にプログラムの完成度や品質が上がっていき、実際に実用可能なプログラムに仕上げることができる。実際のプログラミングにおいては作業時間の多くがこの繰り返しの工程に費やされる。

コンピュータへの指示や一連の処理手順などをプログラミング言語によって文字データの羅列として表記したもので、そのままではコンピュータ(のCPU)では実行できないため、CPUが直に解釈できる命令コードの体系である機械語(マシン語)によるプログラムに変換されて実行される。

変換後の機械語による実行可能プログラムを「オブジェクトコード」(object code)、「オブジェクトプログラム」(object program)、「ネイティブコード」(native code)、「ネイティブプログラム」(native program)、「バイナリコード」(binary code)などと呼ぶ。

実行可能形式への変換

ソースコードからオブジェクトコードへの変換はソフトウェアによって自動的に行うのが一般的となっている。アセンブリ言語で記述されたソースコードを変換することを「アセンブル」(assemble)、そのようなソフトウェアを「アセンブラ」(assembler)という。

アセンブリ言語以外の高水準言語で記述されたソースコードを一括して変換することは「コンパイル」(compile)と言い、そのようなソフトウェアを「コンパイラ」(compiler)という。実行時に少しずつ変換しながら並行して実行するソフトウェアもあり、「インタプリタ」(interpreter)と呼ばれる。

開発時にソースコードから直接オブジェクトコードへ変換せずに、特定の機種やオペレーティングシステム(OS)の仕様・実装に依存しない機械語風の独自言語による表現(中間コード)に変換して配布し、実行時に中間コードからCPU固有の機械語に変換するという二段階の変換方式を用いる言語や処理系もある。

ソースコードの作成

ソースコードは多くの場合、人間がキーボードなどを操作して文字を入力して記述する。この作業・工程を「コーディング」(coding)という。ソースコードはテキストデータの一種であるため文書編集ソフトで作成することはできず、テキストエディタや統合開発環境(IDE)に付属する専用のコードエディタなどを用いることが多い。

必ずしも人間が記述するとは限らず、何らかの元になるデータや入力からソフトウェアによって生成したり、別の言語で記述されたソースコードを変換して生成したり、オブジェクトコードを逆変換してソースコードに戻したりといった方法で、ソフトウェアが自動的・機械的に作成する場合もある。

ソースコードの公開・非公開

日本を含む多くの国でソースコードは著作物の一種として著作権で保護されている。販売される商用ソフトウェア製品の多くは、ソースコードを企業秘密として非公開とし、人間に可読でない中間コードやオブジェクトコードによる実行プログラムのみを利用者に提供している。

一方、ソースコードを公開し、誰でも自由に入手、利用、改変、再配布、販売などができるようにしている場合もある。そのようなソフトウェアを、ソースコードがオープンになっているという意味で「オープンソースソフトウェア」(OSS：Open Source Software)という。ボランティアのプログラマが個人あるいは共同で開発しているソフトウェアに多いが、企業がOSSを開発・公開している例も多く見られる。

ソフトウェア開発の場合には、プログラムの仕様や構造を定めた仕様書や流れ図などの資料、あるいは頭の中に思い浮かべた処理の流れやアルゴリズム(計算手順)に従って、プログラミング言語を用いてソースコードを入力していく工程を指す。得られたソースコードは機械語(マシン語)のプログラムなどに変換されて実行される。

「プログラミング」(programming)とほぼ同義とされることもあるが、プログラミングはコードの構想や設計、記述したコードのテストや修正(デバッグ)といったコード記述の前後の段階を含む概念とされることが多く、その場合はコーディングはプログラミングの一部となる。

また、コンピュータプログラムの作成だけでなく、人工言語を用いてコンピュータが処理できるコードを記述する作業全般をコーディングと呼ぶことがある。例えば、HTMLやCSSなどの言語を用いてWebページの内容やデザインをコードとして記述していく作業や、ハードウェア記述言語を用いて論理回路の構成を記述する作業などもコーディングという。

ソフトウェアの誤作動を引き起こすコンピュータプログラム中の欠陥を指し、人間がプログラムを書き記す際に起きる単純な誤記や勘違いなどによるものから、構想や設計の段階で誤りや矛盾が含まれていたことに起因するものなど、様々な原因によって発生する。プログラム中の誤りを発見し取り除く作業・工程を「デバッグ」(debug：除虫する)という。

バグを含むプログラムを実行することで生じる問題は様々だが、典型的なものとしては、利用者の操作に応答しなくなったり、設計意図と異なる挙動を示したり、誤ったデータを出力したり、記録されたデータを破壊したりといった振る舞いが挙げられる。

ビデオゲームの分野では、キャラクターやフィールドが通常はありえない状態になる現象や、不可能なはずの挙動や展開が可能になるバグが注目されることが多い。製品としては欠陥だが、バグによって可能になる奇妙な挙動や攻略テクニックなどを「裏技」「バグ技」などと呼んで面白がる文化がある。

潜在的なバグ

常に同じ実行箇所に差し掛かると同じ問題を引き起こすバグは発見しやすいが、いつどこで実行しても同じ箇所で必ず不具合を引き起こすとは限らない。特定の入力データや操作、使用環境や設定、あるいはそれらの特定の組み合わせによって発現し、それ以外の状況では誤作動を引き起こさない場合がある。

例えば、1980年代までは日付データの年号部分を西暦の下二桁で記録・管理することは記憶容量の節約や処理速度の向上に寄与するとして推奨されることが多かったが、西暦2000年に到達すると正常に動作しなくなる(西暦2000年問題)。実際、情報システム業界は1990年代末に業務用システムの改修に大きな人手を割くことになった。

バグの発見と修正

コンピュータプログラムの設計・記述の多くは人間が行うため、バグの発生・混入を未然に完全に防ぐ方法はなく、いかに効率よく早期に発見し取り除くかが重要となる。そのためには、ソフトウェア開発の各段階で繰り返し入念にテストを行い、発見された不具合や誤作動についてプログラム上の発生箇所や原因を特定し、対処方法を決定して修正などを行う。

発見されたほとんどのバグは正しい動作を行うプログラムコードに差し替えられる。発売・公開前のプログラムは修正して実行ファイルなどを作りなおすが、利用者の手元に提供した後にバグが発見されることもある。そのような場合には、開発元が「パッチ」「バグフィックス」などと呼ばれる修正プログラムをインターネットなどを通じて配布し、利用者側のソフトウェアを更新する。

オペレーティングシステム(OS)やライブラリ、ミドルウェアなど基盤的なソフトウェアの場合には、修正によってプログラムの振る舞いが変わり、従前の振る舞いを前提に動作していた他のプログラムなどに思わぬ影響を及ぼすことがある。深刻な影響が想定される場合はバグをあえて放置し、別の箇所や方法で悪影響を抑えるというアプローチが取られる場合もある。

歴史

古くは19世紀の記録に機械の設計・製造上の誤りや不良が “bug” と呼ばれていた事例がいくつか知られており、初出がいつに遡るのかは判然としない。現代のコンピュータのソフトウェアにおける用例に近い初期のエピソードとして最も有名なものは、1947年にグレース・ホッパー(Grace Hopper)氏が米ハーバード大学で遭遇した事例である。

初期の電気機械式のコンピュータ「Harvard Mark II」の不具合を調査する過程で、あるスタッフがリレー(スイッチ)に蛾が挟まって接触不良を起こしているのを発見した。彼女は日誌に蛾をテープで留め、“First actual case of bug being found”(実際にバグが見つかった最初の事例) と書き残した。

プログラムが仕様や開発者の意図と異なる動作をする場合、そのような動作を引き起こすプログラム上の欠陥、誤りを「バグ」(bug：虫)という。テストなどによって発見された誤作動・不具合について、その原因やソースコード上での位置を探索・特定し、意図した通りに動作するように修正する作業をデバッグという。

バグの探索

デバッグ作業ではまず、バグがプログラムのどこに潜んでいるのかを探し出す。バグはエラーなどで停止したコードに存在するとは限らない。あるコードが誤ったデータを生成し、そのデータを使って処理を行おうとした別のコードが致命的なエラーを起こして停止するということもあるからである。

位置が特定されると、なぜそのような誤りが生じたのか原因を調べる。単純な誤記によるものから、プログラムを構成する論理やアルゴリズムの誤りに原因がある場合、当初の想定では予期していなかった入力値や動作環境など、様々なものが原因になりうる。

バグの修正

原因が特定されると修正が行われるが、様々なシステムの基盤に用いられるような製品では外部のシステムがすでにそのバグが存在する前提で作られてしまっている場合もあるため、修正せずに存在を周知して個別に対策するよう呼びかける場合もある。

また、修正によって新たなバグが発生したり、別の箇所に潜んでいたバグを顕在化させる「デグレード」と呼ばれる事態が生じることもあるため、修正したプログラムは当該箇所以外への影響も含めて入念にテストされることが多い。

デバッガ

デバッグ作業を支援するソフトウェアを「デバッガ」(debugger)あるいは「デバッグツール」(debugging tool)という。“debugger” は英文法的には「デバッグを行う者」という意味だが、プログラムを自動的に修正してくれるわけではなく、バグの位置を特定するためにプログラムの動作状況を解析・可視化する機能などを提供するものを指し、デバッグ作業自体は人間の開発者が行う。

ITの分野では、コンピュータプログラムの設計やアルゴリズム(計算手順)の理解などのために、内部で行われる処理や演算の詳細な流れをフローチャートに表すことが多い。プログラムに限らず、業務手順など様々な過程や手順の図示に応用できる。

一つのフローチャートには開始と終了があり、その間に一つ以上の工程が含まれる。流れは分岐や繰り返しによって複数に枝分かれしたり戻ったりすることがあるが、途中どのような経路を通っても必ず一つの開始から始まって一つの終了で終わる。

フローチャートで用いる部品の種類や図記号の形状はJIS X 0121で規格化されており、一般的にはこれを用いることが多い。主な部品として、開始や終了を表す「端子」(円・楕円・角丸長方形)、「処理」(長方形)、プログラムにおけるサブルーチンや関数などの「定義済み処理」(左右が二重線の長方形)、「入出力」(平行四辺形)、条件分岐などの「判断」(菱形)、繰り返しの範囲を示す「ループ端」(開始は上側、終了は下側の角が欠けた長方形)、他の図との出入り口を示す「結合子」(小さな丸)、処理の流れを示す「線」(右や下へは線分・左や上には矢印)などがある。

様々な表現形式があるが、一般的な手法では、対象が取りうる状態を円や矩形などで列挙し、どこからどこへ遷移が起きうるかを矢印によって示す。各矢印の脇に、その遷移が起きるための条件やきっかけとなる出来事などを記述する。自らに遷移する場合は自分を指し示す輪っか状の矢印を書き入れる。

対象に開始や終了がある場合は、特殊な記号で示される場合がある。UMLでは開始を塗りつぶした丸印で、終了を内側を塗りつぶした二重丸で記載するよう定められている。

状態遷移表

状態遷移図の各状態を一行として表の形で書き表したものを状態遷移表という。

一般的な形式では、各行が対象の状態を、各列がイベントを表し、ある状態のときにあるイベントが起きたときにどの状態に遷移するかを書き入れていく。

また、縦軸・横軸ともに状態を並べ、各状態の交差する項目にそのような遷移が起こるイベントを書き入れていく様式もある。

ソフトウェア開発の分野ではテストを行う際にテストケースを漏れなく網羅するために状態遷移表が作成される場合がある。

ステートマシン図 (state machine diagram)

ソフトウェアの設計などに用いられるUML(Unified Modeling Language)では、状態遷移図に相当する図をステートマシン図(state machine diagram)として定義している。

あるオブジェクトの振る舞いを漏れなく記述するために用いられるもので、開始状態を塗りつぶした丸印(●)、終了を内側を塗りつぶした二重丸で表し、途中の状態を角丸の矩形を並べて図示していく。

状態間は遷移する方向に矢印で繋ぎ、脇に遷移の説明を添える。遷移したときに実行する動作がある場合は矩形を横に区切って下半分に動作の内容を記述する。

アクティビティ図ではそれ以上分割できない最小の動作単位を「アクション」(action)と呼び、角丸四角形で図示する。アクションを組み合わせたひとまとまりの動作を「アクティビティ」(activity)と呼ぶ。

活動の開始ノード(黒丸で示される)から終了ノード(丸で囲った黒丸で示される)までの間にアクションやアクティビティを配置し、それぞれの依存関係に従って矢印で結んでいく。

次のアクションへ情報などが受け渡される場合には、中間に四角形で示す。矢印で結ばれた手順の流れを「フロー」(flow)という。異常終了などでフローが途中で終了する場合には、終了地点に丸囲みの×印を記す。

アクティビティ図全体を縦または横(あるいはその両方)に分割して実行主体や段階を示すことができる。アクションやアクティビティが分割されたどの領域に存在するかによって、どの主体による動作かを示したり、どのような段階に行われる動作かを示すことができる。

フローの分岐・合流

特定の条件に従ってフローが分岐する場合には、菱形の「デシジョン」(decision：判断)ノードを置いて2方向に矢印を記し、それぞれの脇に条件を記述する。フローが合流する地点には同じ菱形の「マージ」(merge：合流)ノードを置く。

ある時点から複数のフローを並列に実行する場合には、その開始地点に太い直線で示される「フォーク」(fork：分岐)ノードを置き、複数のフローを出発させる。これらの同期を取って一つのフローに戻したい場合には、同じく太い直線の「ジョイン」(join：結合)ノードを置き、フローを集合させる。

プログラミング言語でプログラムを開発することを「プログラミング」(programming)、プログラミング言語で記述したプログラムを「ソースコード」(source code)という。語彙、文法、記法などが自然言語よりも厳密に定義されており、記述したソースコードはソフトウェアによって自動的に解析、処理、変換などすることができる。

コンパイラとインタプリタ

プログラミング言語は人間にとって理解、記述しやすい語彙や文法で構成された言語であり、そのままではコンピュータ(のCPU)が解釈、実行することができないため、ソフトウェアによってCPUが実行可能な言語(機械語、マシン語)によるプログラムに変換して実行される。

開発時や導入時などに一度にまとめて変換処理を行うことを「コンパイル」(compile)、そのような変換ソフトを「コンパイラ」(compiler)という。実行時に変換と実行を同時並行で行うソフトウェアを「インタプリタ」(interpreter)という。

高水準言語と低水準言語

プログラミング言語は人間にとっての理解のしやすさや機械語に対する抽象度の高さによって分類されることがあり、機械寄りの言語を「低水準言語」(low-level language)あるいは「低級言語」と呼び、人間寄りの言語を「高水準言語」(high-level language)あるいは「高級言語」という。

機械語の命令コードと一対一に対応する命令語を用いてプログラミング言語を行う低水準言語のことを特に「アセンブリ言語」(assembly language)と呼び、機械語への変換ソフトを「アセンブラ」(assembler)という。

プログラミングパラダイム

プログラムをどのようなものとして捉え、構築していくかについて一定の設計思想やルールがある場合が多く、これを「プログラミングパラダイム」(programming paradigm)という。複数の書き方が可能な言語は「マルチパラダイム」であるという。パラダイムに基いて言語を分類することもある。

手続きを順番に記述していく「手続き型言語」(procedural language)あるいは「命令型言語」(imperative language)や、関連するデータ群と手続き群を一つのまとまりとして捉える「オブジェクト指向言語」(object-oriented language)、プログラムを関数の組み合わせとして捉える「関数型言語」(functional language)、データ間の関係や論理を記述していく「論理型言語」(logic programming language)などの種類がある。

また、主な利用目的や主要な処理系の実装方式により分類することもあり、記述や実行の手間を軽減して迅速にプログラム開発ができる「スクリプト言語」(script language)あるいは「軽量言語」(LL：Lightweight Language)、特定の分野や処理に特化した「ドメイン固有言語」(DSL：Domain Specific Language)などの分類がある。

プロセッサは設計段階でどのような命令番号(オペコード)が与えられたらどのように動作するかが決められている。機械語のプログラムは基本的に命令番号を実行順に並べたデータとなっており、個々の命令には必要に応じて処理すべき対象となるデータ(オペランド)などを付記する。

機械語はプロセッサに直接命令を与える言語であるため、プロセッサの持つすべての機能を利用することができる。どのようなプログラミング言語で記述されたプログラムであっても、ソフトウェアによる変換や調整を経て最終的には機械語のプログラムとしてプロセッサに渡され実行される。

ニーモニックとアセンブリ言語

人間が命令番号そのものを暗記して直にプログラムを記述するのは容易ではないため、各番号に意味を類推しやすいアルファベットの並び(ニーモニック)を一対一に対応付け、これを用いてプログラムを記述する手法が用いられる。このようにして作られたプログラミング言語をアセンブリ言語(assembly language)という。

アセンブリ言語によるプログラミングはハードウェアを直に制御でき、短く高速なプログラムを記述することができるが、大規模で複雑なプログラムや大人数での分業などには向いていない。OSやデバイスドライバなどハードウェアを直接的に制御する必要のあるプログラムや、極めてシビアに実行速度が求められる場面などで部分的に用いられることが多い。

命令セットとプログラムの互換性

命令番号と動作の対応関係、および各命令に付随するオペランドの形式などを定めた体系は命令セットアーキテクチャ(ISA：Instruction Set Architecture)あるいは単に命令セットと呼ばれ、同じ命令セットを持つプロセッサ間では互いに同じ機械語プログラムをそのまま実行することができる。

一般に、同じメーカーの同じ製品シリーズのプロセッサ製品間は同じ命令セットを共有し、新しい製品に新たな命令が追加されるようになっており、異なるモデルや世代の製品間でも同じ機械語プログラムを動作させることができる。異なるメーカーが同じ命令セットを実装した製品を開発する場合もあり、互換プロセッサなどと呼ばれる。

命令セットが異なるプロセッサ間では同じ機械語プログラムは動かないため、プログラムのソースコードからコンパイルなどの処理を行ってそのプロセッサの命令セットによって記述された機械語プログラムを生成する必要がある。

命令は一つずつ記述して並べることもできるが、多くの言語では複数の命令をひとまとまりの手続きに連結し、外部から一つの大きな命令のように呼び出せるようにする機構を備えている。この手続きは言語により「プロシージャ」(procedure)、「サブルーチン」(subroutine)、「関数」(function)、「メソッド」(method)などと呼ばれる。

コンピュータ(のCPU)が直に解釈・実行できる機械語(マシン語)のほとんどは命令型の言語体系となっており、CPUが行うべき処理の内容を一つずつ命令として記述して順に並べることによりプログラムを構成する。手続き型言語は機械語をより人間に扱いやすく翻訳したものと言え、機械語そのものでは記述が難しい複雑な構造のプログラムや大規模なプログラムの開発を容易にしてくれる。

広義の手続き型言語には、手続きと関連するデータを一つの単位にまとめるオブジェクト指向の手続き型言語を含むが、文脈によっては「手続き型言語」が非オブジェクト指向型の手続き型言語を指し、オブジェクト指向言語と対比される場合がある。

在来型の手続き型言語にはAdaやFortran、ALGOL、PL/I、C言語、COBOL、BASIC、Pascalなどがあり、オブジェクト指向型の手続き型言語にはC++言語やJava、C#、Visual Basic、Perl、Python、Ruby、JavaScript、PHP、Go言語、Rustなどがある。

一方、手続き型言語あるいは命令型言語とは異なる体系の言語を「非手続き型言語」(non-procedural language)あるいは「宣言型言語」(declarative language)と総称する。命令の列挙以外の方法でプログラムを構成する言語で、「関数型言語」(functional language)や「論理型言語」(logic programming language)、「問い合わせ言語」(query language)などを含む。

コンパイラ(compiler)はプログラミング言語で記述されたソースコードを解釈し、実行可能な機械語(マシン語)などのコードに一括して変換するソフトウェアで、変換後のコードを元に実行可能ファイルを作成して実行される。

記述したコードを実行に移すまでに手間や準備時間が必要だが、機械語への変換と実行が分離されるため、プログラムを少ない消費メモリで高速に実行でき、実行時にソースコードが不要(利用者へソースコードを提供しなくてよい)という特徴がある。

コンパイラ型言語は言語の開発元が提供する公式の処理系や、広く普及している主要な処理系がコンパイラであるような言語を指し、機械語コードへ変換しながら同時に実行する「インタプリタ型言語」(インタプリタ言語)と対比される。

このような分類は現代よりもプログラミング言語とその処理系が密接に関連付けられていた1990年代以前によく用いられたが、インタプリタとコンパイラのどちらを用いるかは言語そのものの特性ではなく、実際、今日では一つの言語に両者が標準的に提供されることも少なくないため、このような分類を用いることはほとんどなくなった。

インタプリタ(interpreter)はプログラミング言語で記述されたソースコードを解釈し、実行可能な機械語(マシン語)のコードに変換しながら同時に実行するソフトウェアで、変換処理の分だけ消費メモリ容量や実行速度は犠牲になるが、ソースコードを与えるだけで即座に実行できるという特徴がある。

インタプリタ型言語は言語の開発元が提供する公式の処理系や、広く普及している主要な処理系がインタプリタであるような言語を指し、機械語コードへの変換を一括して行い、実行可能ファイルを生成してから実行する「コンパイラ型言語」(コンパイラ言語)と対比される。現代では、いわゆるスクリプト言語が該当する。

このような分類は現代よりもプログラミング言語とその処理系が密接に関連付けられていた1990年代以前によく用いられたが、インタプリタとコンパイラのどちらを用いるかは言語そのものの特性ではなく、実際、今日では一つの言語に両者が標準的に提供されることも少なくないため、このような分類を用いることはほとんどなくなった。

ソフトウェア操作のマクロ

アプリケーションソフトの操作を自動化する機能の一つにマクロ言語がある。利用者が複数の操作手順を一連の手続きとして記録したもので、簡単な操作で繰り返し実行することができる。

利用者はマクロ言語登録開始に操作の後、操作画面上で登録したい一連の操作を行い、記録終了の操作を行う。この間の操作はデータとして記録され、録音した音声を再生するように簡単な操作で何度も繰り返し呼び出すことができる。

業務上何度も繰り返し行わなければならない定型的な作業を自動化することができ、文書内の複数の個所や複数の文書に同じ操作を行わなければならない場合などに利用される。

Microsoft Excelのマクロ機能など、表計算ソフトでよく利用される機能で、記録した操作をスクリプト言語などで表し、後から編集できる機能を持ったソフトもある。キー操作を記録して再生できるようする機能は「キーボードマクロ」と呼ばれる。

プログラミングのマクロ

プログラミングの分野では、ソースコード中に繰り返し登場する特定の記述を、別の(短い)記述に置き換えることができる機能をマクロ言語という。

複数の命令をまとめて一つの命令のように記述したり、複数の箇所で参照される定数の値を後からまとめて変更できるようシンボル名で記述するのに使われる。

関数のようなプログラミング言語の持つ仕様や機能ではなく、アセンブラやコンパイラなどの機能として提供されるもので、コンパイルなどの前処理としてソースコードを単純に文字列置換することにより実現される。C言語などではプリプロセッサと呼ばれる専用のプログラムで処理される。

主な特徴

C言語やJavaに似た記法や文法を採用した手続き型の言語で、簡潔な記述でプログラムを開発することができる。関数を変数のように(第一級のオブジェクトとして)扱ったり、関数を引数に取る高階関数を定義できるなど、関数型プログラミング言語の仕様も取り込んでいる。

オブジェクト指向にも対応しているが、他の多くの言語で一般的な、オブジェクトの雛形を定義したクラスを用いる方式(クラスベース)ではなく、既存のオブジェクトを複製して機能を追加していく「プロトタイプベース」と呼ばれる手法を採用している。

Webブラウザでの利用

WebページのHTMLファイル内に特殊な記法を用いて埋め込まれて記述され、Webブラウザに内蔵された言語処理系によってページの表示時に解釈・実行されることが多い。スクリプトのみを記述したファイル(.jsファイル)を読み込む形で利用されることもある。ページ内の要素に動きや効果を加えたり、閲覧者の操作に即座に反応して何らかの処理を行ったりするのに用いられる。

主要なWebブラウザの多くが標準で対応しているが、ブラウザの種類やバージョンによって仕様や挙動に違いがあり、開発者を悩ませ続けている。他の言語の場合にも見られる言語そのものの仕様・実装の違い(バージョンの違いや各社独自の拡張や仕様・実装の相違)の他に、HTMLやCSSの仕様や解釈の相違や、スクリプトからWebページ上の表示要素を扱う際に必要となるDOM(Document Object Model)と呼ばれるAPIの違いもあるため、複数のブラウザで同じように動作するスクリプトを開発するのは一筋縄ではいかない。

他の実行環境

近年ではWebブラウザに留まらず様々な環境に言語処理系が移植され、様々な用途で使用されている。Node.jsやASP.NETのようにWebサーバ上でプログラムを実行して動的にWebブラウザに応答を返すシステムや、オペレーティングシステム(OS)上で直に実行可能な処理系(Windows Scripting Hostなど)がよく知られる。米アドビ(Adobe)社の「Flash」では標準のスクリプト言語に採用されていた(正確にはActionScriptと呼ばれる方言)。

AltJS

開発効率や保守性、プログラムの読みやすさなどの改善、よく起こりがちな誤りの防止などを目的に、JavaScriptを元に独自の機能や仕様を追加したり、文法や記法の追加・変更を行った言語がいくつか開発されており、「AltJS」(Alternative JavaScript)と総称される。

これらの言語で書かれたプログラムは「トランスパイラ」(transpiler：トランスコンパイラの略)と呼ばれる変換ソフトにより一旦JavaScriptによる表記に変換されるため、JavaScriptの実行環境さえあれば通常のスクリプトと同じように実行できる。著名なものには「TypeScript」や「JSX」、「CoffeeScript」などがあり、Webアプリケーションの開発現場などでよく利用される。

Javaとの違い

名称にプログラミング言語「Java」の語を冠しているが、他の「Java○○」技術とは異なり、Java言語の拡張仕様や関連技術などではなく、記法や予約語などの一部が共通していること以外に直接的な繋がり互換性はない。

実際、型システムや関数、オブジェクト指向の扱いなど言語仕様の根本的な部分のいくつかがJavaとは大きく異なる。かつてはJavaにもWebページ内にプログラムを埋め込んで実行する「Javaアプレット」と呼ばれる仕組みがあったため、主に技術者以外のWebに携わる人々にとって名称が紛らわしく、しばしば混同や取り違えが発生した。

歴史

1995年にネットスケープ・コミュニケーションズ(Netscape Communications)社(当時)のブランダン・アイク(Brendan Eich)氏によって開発され、当時最も人気の高いWebブラウザだった「Netscape Navigator 2.0」に初めて実装された。

当初は「LiveScript」(ライブスクリプト)という名称だったが、同社がJava開発元のサン・マイクロシステムズ(Sun Microsystems)社(当時)と提携していたことから、Javaの名称を冠してJavaScriptに改称された。

1997年にはEcma International(エクマ・インターナショナル)によって「ECMAScript」の名称で仕様が標準化され、ISOやJISなども同様の規格を標準化した。ECMAScriptは20年以上に渡って活発に改版を重ねており、各社の処理系もこれに準拠する形で機能追加が進められている。

基本的な特徴としては、豊富なデータ型とコンテナ型、ガベージコレクション、Unicodeによる多言語対応、プログラムのモジュール(部品)化による他のプログラムへの容易な組み込み、プログラムの仕様の文書化(ドキュメンテーション)を支援する機能などがある。

ユニークな特徴としては、多くの言語では人間にとってプログラムを読みやすくするために便宜的に行われるインデント(字下げ)を言語仕様上の構文の一つとして採用しており、ブロックの範囲を示すのに用いられる。

言語自体の文法や語彙、記法な最小限のシンプルなものに抑えられているが、対照的に、極めて広範囲の分野に渡り豊富な機能を提供する標準ライブラリが用意されている。当初は手続き型言語とオブジェクト指向言語の特徴を備えた言語として設計されたが、関数型言語の要素の多くを取り入れ、様々なスタイルのプログラミングが可能なマルチパラダイム言語として知られている。

他の言語や環境との連携機能も充実しており、Pythonからアクセスできない低レベルの機能をC言語で記述して拡張モジュールとして組み入れる仕組みが提供されているほか、Javaライブラリを利用できる実行環境の「Jython」や、Microsoft .NET環境で.NET Frameworkの機能を利用できる「IronPython」などの処理系もある。

標準の言語処理系(CPython)にはソースコードを読み込みながら同時に実行するインタプリタが含まれ、コンパイルやビルドなど手間や時間のかかる作業を省略して記述したプログラムを即座に実行してみることができる。この処理系はオープンソースソフトウェアとして公開されており、誰でも自由に入手、利用、改変、再配布などすることができる。

Pythonの最初のバージョンは1991年にオランダのグイド・ヴァン・ロッサム(Guido van Rossum)氏によって発表された。現在ではWebアプリケーションの開発用言語として人気が高いほか、データ処理や統計解析などの分野でよく利用されることで知られる。

情報システム開発などでは、パッケージ製品のカスタマイズや機能追加、現在使用中のシステムの改修などによらず、全体を新たに開発する(あるいは、開発し直す)ことを指してScratchということが多い。

ソフトウェア開発やWebサイト制作では、元になるソースコードや雛形(テンプレート)などを使用せず、何も無い状態からコードを記述していくことをScratchという。他から流用する要素が一切無い場合を特に「フルスクラッチ」(totally from scratch)ということがある。

既存製品を流用する場合に比べ費用や期間はかかるが、パッケージの制約や過去のしがらみなどに縛られることが少なく、独自機能を組み込んで他社と差別化するといった施策も行いやすい。流用部分がブラックボックス化することがなく、改良や修正、機能追加の自由度も高い。

一般的には「順接、反復、分岐の三つの制御構造のみを組み合わせて処理の流れを記述すること」と説明されることが多いが、これは本来の定義とは異なる誤解が広まったものだとも指摘される(後段で詳述)。

今日一般的に言われる構造化プログラミングとは、プログラム中のコードの実行順の制御を、記述した順番に実行する「順接」あるいは「順次」(sequence)、指定された条件が成り立つ間繰り返す「反復」あるいは「繰り返し」(iteration)、指定された条件を満たすか否かによって枝分かれする「分岐」あるいは「選択」(selection)の三つのみを組み合わせて記述することとされる。

特に、実行順の制御をこの三つに限定することにより、かつてのプログラミングで多用されていた、指定した任意の位置に無条件に移動する “goto” 文を排除し、処理の流れがあちこちへ飛んで見通しが悪くなるのを防ぐことが重要であると説明される。

構造化定理とその解釈

この原則は1966年にイタリアのコンピュータ科学者コラド・ベーム(Corrado Böhm)とジュゼッペ・ヤコピーニ(Giuseppe Jacopini)が証明した「構造化定理」(Structure theorem)あるいは「構造化プログラム定理」(Structured program theorem)によって基礎付けられているとされる。

確かにこの定理はすべてのアルゴリズムが順接、反復、分岐の三つの組み合わせで記述できることを示してはいるが、計算科学における理論上の可能性を述べており、これによって見通しの良いプログラムを開発できるといった趣旨の主張は含まれていない。

実際、高名なコンピュータ科学者のドナルド・クヌース(Donald Knuth)は、プログラムからgoto文を除去してこの三つの組み合わせに置き換えることにより却って構造が失われる例を示し、構造化定理のこのような解釈を批判している。

ダイクストラの構造化プログラミング

「構造化プログラミング」(structured programming)の語が最初に提唱されたのは1969年にオランダのコンピュータ科学者エドガー・ダイクストラ(Edsger W. Dijkstra)が発表した論文で、本来はこちらが構造化プログラミングの定義であるとされる。

彼の主要な問題意識は、プログラムの規模が大きくなっても正しさを容易に検証できるような「良く構造化されたプログラム」(well-structured program)を記述する方法論で、そのためのいくつかの考察と原則を構造化プログラミングという概念でまとめた。

これには、現代では関数やサブルーチンなどとして知られる、プログラムの「段階的な抽象化」(step-wise abstraction)、現代のオブジェクト指向プログラミングに近い、「抽象的なデータ構造」(abstract data structures)とこれに関連付けられた「抽象的な構文」(abstract statements)の「共同詳細化」(joint refinement)が含まれる。

これらを適用したプログラムは上下に階層化された交換可能なモジュール(部品)を連結したような構造になると指摘し、これを真珠のネックレスの構造に例えて説明している。この論考には「構造化定理」も「三つの制御構文」も「goto文」も登場せず、構造化プログラミングの本来の概念とこれらとはあまり関係がない。

しかし、ダイクストラが別の機会に発表したgoto文の濫用に疑問を呈する論説(1968年の “Go To Statement Considered Harmful” )や、他の論者とのいわゆる「goto文論争」、また、「構造化定理」と「構造化プログラミング」の名称の類似性などを通じて、次第に「三つの制御構文」式の理解が広まっていったと考えられている。

オブジェクト指向プログラミングではオブジェクトの定義と、オブジェクト間の関係、相互作用を記述することによりプログラムを構築していく。オブジェクトにはそれぞれ固有のデータ(属性/プロパティ)と手続き(メソッド)があり、外部からのメッセージを受けてメソッドを実行し、データを操作する。オブジェクトに付随するデータの操作は原則としてすべてオブジェクト中のメソッドによって行われる。

オブジェクトは外部に公開されたメソッドにより機能を提供する。内部の状態を表す変数なども、外部からの参照・操作が必要なものだけが専用の手続きによってアクセス可能となり、それ以外は外から見えない存在となる。

このように、関連するデータと手続きを一つの単位にまとめることを「カプセル化」(encapsulation)、外部に対して必要な情報や手続きのみを提供することを「情報隠蔽」(information hiding)という。外から直に参照や操作をする必要のない内部の状態や構造は秘匿される。

主流のクラスベースのオブジェクト指向プログラミングでは、オブジェクトの雛形を「クラス」(class)として記述し、これをプログラムの実行時に「インスタンス」(instance)として実体化し、データの保存や操作を行う。

あるクラスを元に一部の振る舞いを改変したり新しい機能を追加した別のクラスを作成する「継承」(inheritance)を活用することで、ライブラリや既存のプログラムから必要な機能を流用し、足りない部分だけ新たに記述するといったスタイルで開発を進めることができる。

派生したクラスでは既存のメソッドの振る舞いを必要に応じて改変することができ、外部から同じメソッドを呼び出した際に各オブジェクトがそれぞれ自らに適したコードを実行してくれる。このような性質を「ポリモーフィズム」(polymorphism/多態性)という。

オブジェクト指向によるソフトウェア開発は、異なるプログラムを組み合わせたり、後で部分的に再利用したりするのが容易になるという特徴があり、現代では多くのプログラミング言語にオブジェクト指向的な記述を可能にする仕様が取り入れられている。オブジェクト指向を主要な言語仕様としているものは特に「オブジェクト指向プログラミング言語」(オブジェクト指向言語)と呼ばれることもある。

プログラムのソースコードを記述するためのコードエディタを中心に、ソフトウェアの操作画面の設計や要素の配置、挙動の指定などを支援するGUIデザイン機能、ライブラリや開発中のクラスなどの仕様や内部構造を表示する機能、コンパイラやリンカを呼び出して実行可能ファイルを構築するビルド機能、ステップ実行やインスペクション、エラー箇所のハイライト表示などテストやデバッグを支援する機能などを持っていることが多い。

ソフトウェア開発を支援する補助的な機能として、コードとともにデータやドキュメントなどを一括して管理するプロジェクト管理機能や、ファイルの新旧の版管理や複数人による編集を管理するバージョン管理機能、複数の開発者の連携を補助するチーム開発機能などを持つものもある。

プラグインなどの拡張機構を用いて、後から対応言語や機能を増やすことができるものもある。特定の製品や技術を対象としたプログラムを開発するためのソフトウェア開発キット(SDK：Software Development Kit)が著名な統合開発環境に対するプラグインの形で提供されることも多い。

コードエディタは一般的なテキストエディタとして機能に加え、入力途中の文字列から予約語や関数名、プロパティ名、メソッド名などの候補を推測して自動的に提示してくれるコード補完機能や、予約後や区切り文字などを認識して色分けして見やすくする機能、コンパイルエラーなどが発生した場所をエラーメッセージ等とともに強調表示する機能など、コード記述に特化した便利な機能が盛り込まれていることが多い。

特定の環境や対象、プログラミング言語向けの統合開発環境として、米マイクロソフト(Microsoft)社の「Visual Studio」(Windows向け)や、米アップル(Apple)社の「Xcode」(macOS/iOS向け)、ジェットブレインズ(JetBrains)社の「IntelliJ IDEA」(Java言語向け)などがよく知られる。オープンソースソフトウェアの「Eclipse」(エクリプス)のように様々な言語や環境で汎用的・横断的に利用されるものもある。

テキスト形式は文字のみで構成されるデータで、画像など他の形式のデータや、コンピュータ向けの制御データ、文字の大きさや色などの修飾情報などは含まない。テキストエディタは文字の編集に特化したソフトウェアであり、こうした文字以外の情報を扱うことはできない。

現代では一般的な文書作成はレイアウトや見た目の修飾ができるワープロソフトなどを使うことが一般的なため、テキストエディタは主にソフトウェアの設定ファイルやコンピュータプログラムのソースコード、マークアップ言語による文書ファイルなどの作成・編集に用いられる。プログラムの編集に特化したものは特にコードエディタと呼ばれることもある。

製品によっては、行番号の表示や折返し桁数の設定、正規表現による複雑な条件を用いた検索や置換、操作の取り消し(アンドゥ)、編集作業の記録・再生や自動化(マクロやスクリプト)、特定の記号やキーワードの色分け表示(シンタックスハイライト)など文字データの編集を支援する便利な機能が利用できる。

Windowsの「メモ帳」やmacOSの「テキストエディット」のように多くのOSには付属のテキストエディタが存在するが、フリーソフトウェアやオープンソースソフトウェアとして配布されているエディタや、企業などが製品として開発・販売しているものも数多く存在する。UNIX環境では伝統的にvi/VimやEmacsが標準的に使われている。

コンパイラは、プログラミング言語で書かれた「ソースコード」(source code)を読み込んで解析し、コンピュータが直に実行可能な機械語や、それに相当する中間言語などで記述された「オブジェクトコード」(object code)に変換する。この変換工程のことを「コンパイル」(comple)という。

コンパイラが生成したオブジェクトコードはそのままでは実行可能でない場合が多く、リンカなど別のソフトウェアを用いて、起動に必要なコードを追加したり、必要なライブラリなどを結合(リンク)したりして実行可能形式のプログラムとする。コンパイルを含む一連の工程を「ビルド」(build)という。

一方、ソースコードを読み込みながら、逐次的に実行可能コードを生成して実行するソフトウェアを「インタプリタ」(interpreter：「通訳者」の意)という。コンパイルやリンクなどのビルド工程を経ずにソースコードをいきなり実行できるため、スクリプト言語の実行環境としてよく用いられる。

様々なコンパイラ

Javaや.NET言語など、CPUやオペレーティングシステム(OS)の種類に依存しない中間形式でプログラムを配布する言語では、実行時に実行環境固有のコード形式(ネイティブコード)に変換するコンパイラを「JITコンパイラ」(Just-In-Time compiler)あるいは「実行時コンパイラ」という。この方式では、開発時にソースコードから中間形式へ、実行時に中間形式からネイティブコードへ、2段階のコンパイルを行う。

デジタル家電などの組み込みソフトウェアの開発など、開発環境と実行環境が異なる場合、開発環境上で別の環境向けのオブジェクトコードを生成する「クロスコンパイラ」(cross compiler)という。実行プログラムは対象環境に送ってテストや実行を行う。

コンパイラとは逆に、コンパイル済みのオブジェクトコードを解析して元のソースコードに逆変換するソフトウェアを「デコンパイラ」(decompiler)あるいは「逆コンパイラ」という。高水準言語ではソースコードとオブジェクトコードの各要素は一対一に対応しないため、完全な復元は難しい。特に、変数名などのシンボルはコンパイル時に失われるため、オブジェクトコードから取り出すことはできない。

人間などがプログラミング言語で記述したソースコードを処理の流れの順に少しずつ読み込んでいき、内容を解析して実行可能なプログラムに変換し、即座に実行する。変換と実行を逐次的に繰り返し行い、処理を進めていく。

コンパイラなどで一括して変換してから実行する方式に比べ、ソースコードを即座に実行開始できるため開発や修正をテンポよく進めることができるが、変換にかかるオーバーヘッドの分だけ実行速度やメモリ使用量では劣る。

また、インタプリタによる実行を前提とする場合はプログラムの配布をソースコードで行うことになるが、環境ごとに変換済みのバイナリコードを用意しなくてよく、インタプリタさえ用意されていれば様々な環境で動作させられる反面、利用者にソースコードを必ず開示しなければならない点が嫌がられることもある(商用ソフトウェアなどの場合)。

いわゆるスクリプト言語や軽量言語(LL)と呼ばれる言語は標準の処理系としてインタプリタが用意されており、すぐに実行できるようになっている。

ITの分野では、ある特定の機能を持ったコンピュータプログラムを他のプログラムから呼び出して利用できるように部品化し、そのようなプログラム部品を複数集めて一つのファイルに収納したものをライブラリということが多い。

一般的に、ライブラリにはオブジェクトコード(機械語などで記述された実行可能形式のプログラム)が格納されているが、それ単体で起動して実行することはできず、他の実行可能ファイルに連結されて利用される。言語や処理系によってはソースコードの集合をライブラリという場合もある。

様々なプログラムが共通して利用する汎用性の高い機能などがライブラリとして開発・提供されることが多く、標準的なライブラリはオペレーティングシステム(OS)やプログラミング言語の開発環境、開発ツールなどの一部として付属することが多い。

特定のソフトウェアやハードウェアを利用したプログラムを開発するために必要な機能がライブラリの形でまとめられている場合もあり、当該システムのソフトウェア開発キット(SDK)などの一部として開発者に提供される。

また、部品化されたコンピュータプログラム以外にも、特定の分野や形式のデータなどを検索、取得、再利用しやすい形にまとめたファイルやデータベース、Webサイトなどのことを「フォトライブラリ」「音声ライブラリ」などといったように呼ぶことがある。

個々のソフトウェアの開発者が毎回すべての機能をゼロから開発するのは困難で無駄なため、多くのソフトウェアが共通して利用する機能は、OSやミドルウェアなどの形でまとめて提供されている。

そのような汎用的な機能を呼び出して利用するための手続きを定めたものがAPIで、個々の開発者はAPIに従って機能を呼び出す短いコードを記述するだけで、自分で一から処理内容を記述しなくてもその機能を利用したソフトウェアを作成することができる。

広義には、プログラミング言語の提供する機能や言語処理系に付属する標準ライブラリの持つ機能を呼び出すための規約などを含む場合もある(Java APIなど)。

また、APIを経由して機能を呼び出す形でプログラムを構成することにより、同じAPIが実装されていれば別のソフトウェア上でそのまま動作させることができるのも大きな利点である。実際、多くのOS製品などでは同じ製品の旧版で提供していたAPIを引き継いで新しいAPIを追加するという形で機能を拡張しており、旧バージョン向けに開発されたソフトウェアをそのまま動作させることができる。

APIの形式

APIは人間が記述・理解しやすい形式のプログラムであるソースコード上でどのような記述をすべきかを定めており、原則としてプログラミング言語ごとに定義される。

関数やプロシージャなどの引数や返り値のデータ型やとり得る値の意味や定義、関連する変数や定数、複合的なデータ構造の仕様、オブジェクト指向言語の場合はクラスやプロパティ、メソッドの仕様などを含む。

通信回線を通じて遠隔から呼び出すような構造のものでは、送受信するパケットやメッセージの形式、通信プロトコル(通信規約)などの形で定義される仕様をAPIと呼ぶこともある。

Web API

近年ではネットワークを通じて外部から呼び出すことができるAPIを定めたソフトウェアも増えており、遠隔地にあるコンピュータの提供する機能やデータを取り込んで利用するソフトウェアを開発することができる。

従来は通信を介して呼び出しを行うAPIはRPC(リモートプロシージャコール)の仕様を元に製品や環境ごとに個別に定義されることが多かったが、インターネット上でのAPI呼び出しの場合は通信にHTTPを、データ形式にXMLやJSONを利用するWeb APIが主流となってきている。

2000年代前半まではWeb APIの標準として仕様が巨大で機能が豊富なSOAPの普及が試みられたが、2000年代中頃以降は軽量でシンプルなRESTful APIが一般的となり、狭義のWebアプリケーションだけでなく様々な種類のソフトウェアやネットサービス間の連携・接続に幅広く用いられるようになっている。

APIと実装

API自体は外部からの呼び出し方を規定した決まりごとに過ぎず、呼び出される機能を実装したライブラリやモジュールなどが存在して初めてAPIに挙げられた機能を利用することができる。

あるソフトウェアのAPIが公開されていれば、同じAPIで呼び出すことができる互換ソフトウェアを開発することもできる。ただし、APIを利用する側のプログラムが(スクリプトなどではなく)バイナリコード(ネイティブコード)の場合にはこれをそのまま動作させることはできないのが一般的で、同じソースコードを元に互換環境向けにコンパイルやビルドをやり直す必要がある(ソースレベル互換)。

また、API自体は標準実装における動作の詳細までは定義していないため、APIが同一の互換ソフトウェアだからといって動作や振る舞いがまったく同じであるとは限らない。商用ソフトウェアの場合はAPIが非公開だったり、すべては公開されていなかったりすることが多く、公開情報だけではAPI互換の製品を作ることも難しい。

APIと知的財産権

従来は特許で保護されている場合を除いて、APIそのものには著作権その他の知的財産権は存在しないとする見方が一般的で、実際、元のソフトウェアのコードを複製せずすべて独自に実装するという方法でAPI互換ソフトウェアが数多く開発されてきた。

ところが、米オラクル(Oracle)社が権利を有するJava言語やその処理系に関して、米グーグル(Google)社が同社の許諾を得ずにAndroidスマートフォン向けにJava APIを実装した実行環境(Dalvik VM)を開発・提供しているのは著作権侵害であるとの裁判が起こされ、米裁判所は訴えを認める判決を出した。今後はAPIの権利について従来の状況が変化していく可能性がある。

変数につけた名前を「変数名」と呼び、記憶されているデータをその変数の値という。データの入れ物のような存在で、プログラム中で複数のデータを扱いたいときや、同じデータを何度も参照したり計算によって変化させたい場合に利用する。

変数をプログラム中で利用するには、これからどんな変数を利用するかを宣言(declaration)し、値を代入(assignment)する必要がある。コード中で明示的に宣言しなくても変数を利用できる言語もある。変数に格納された値を利用したいときは、変数名を記述することにより値を参照(reference)することができる。

変数の型

プログラム中で扱うデータは整数、浮動小数点数、文字列など様々なデータ型に分かれており、変数も特定のデータ型を持つ。多くの言語では宣言時に一つのデータ型を指定しなければならず、後から型は変えられないが、特定の型を指定しなくても処理系が適切な型を適用(型推論)してくれる言語や、代入などによって途中で型を切り替えることができる言語もある。

変数のスコープ

変数は宣言した位置などにより通用する範囲(スコープ)が決まっており、範囲の外から参照や代入を行うことはできない。プログラム全体を通用範囲とするものを「グローバル変数」(大域変数)、特定のサブルーチンや関数、メソッド、コードブロックなどの中でのみ通用するものを「ローカル変数」(局所変数)という。オブジェクト指向言語では「クラス変数」や「インスタンス変数」などに分かれる。

例えば、プログラム上で整数型の変数xを宣言し、これに1を代入すると、以降のコードではxの値は1として扱われる。別の値を再代入すれば、以降xはその値となる。他の変数に格納された値を代入することもできる。

プログラミング言語にはデータ型(data type)の区別があり、整数の 1 と文字列の "1" は内部的に別の表現形式で表され、適用可能な操作も異なる。変数の型が固定される言語では異なる型の値を再代入することはできないが、スクリプト言語などでは代入によって値と型の両方を同時に変更できる場合もある。

代入を表す書式は言語によって異なるが、C言語やその記法を受け継ぐ多くの言語(JavaやJavaScriptなど)では「x=1;」のように等号(イコール記号)が代入を表す。条件式などで「もし等しければ」という比較を表す場合は、if(x==1) のように等号を2つ並べて「==」と記す。

この記法では、「xの現在の値に1を加算する」は「x=x+1;」のようになり、数学の等号とは意味が異なるため、初学者を混乱させるとして批判されることもある。このため、「=」を数式と意味が似ている比較に用い、代入は「:=」など別の記法にしている言語もある。

言語によっては、演算と代入を組み合わせ、変数の現在の値に指定の演算を行う「復号代入演算子」が用意されていることがある。例えば、加算「+」と代入「=」を組み合わせた加算代入演算子「+=」は、左辺の変数に右辺の値を加算する操作を表す。「x=x+1;」は「x+=1;」と書くことができる。

なお、英語では数学の代入は「代用」「置き換え」などを意味する “substitution” である一方、プログラミングの代入は「割り当て」を意味する “assignment” であり、異なる語、概念となっている。変数の substitution という場合は、変数名が記述された箇所を実際の値で置き換える操作などを表す。

特定の関数やメソッド、サブルーチンなどのコードブロックに所属せず、プログラム全体を有効範囲(スコープ)とする変数である。通常、プログラムの冒頭など、どのブロックにも含まれない最も外側に変数宣言を記述することにより定義することができる。変数の寿命はプログラムの開始から終了までで、プログラムの実行中はずっと同じメモリ領域に置かれ、内容が維持され続ける。

多数の関数などにまたがってプログラム全体で頻繁に参照・更新される変数などを、いちいち引数などの形で明示的に受け渡さなくてもよいといった利点があり、メモリ容量や処理速度に厳しい制約がある場合などには多用されることもある。

一方、プログラム中のどこからでも変更できるため、プログラムの規模が大きくなるとどこでどのように書き換えられているのか把握しにくくなり、予期せぬバグが生まれたり、開発の分業やコードの追加・修正が困難になる。

また、開発者の異なる複数のソースコードを連結して実行ファイルを生成する場合など、グローバル変数の変数名が衝突してバグを生み出すこともある。このような特徴からグローバル変数の使用を好ましくないと考える開発者も多く、グローバル変数を仕様から排除したプログラミング言語もある。

プログラミング言語では言語仕様などで様々な演算子が定義されており、これを組み合わせて式や命令文を構成することができる。対象となる被演算子の数によって、「a++」のように一つしか取らないものを「単項演算子」(unary operator)、「a+b」のように二つのものを「二項演算子」(binary operator)、「c?x:y」のように三つのものを「三項演算子」(ternary opeator)、任意個の被演算子を列挙できるものを「多項演算子」(n-ary operator)という。

演算子は演算の内容によっても分類でき、「a-b」「x/10」のように四則演算などの算術的な計算を記述する「算術演算子」(arithmetic operator)、「a>b」「x==y」のように二項の比較や関係を表す「比較演算子」(comparison operator)あるいは「関係演算子」(relational operator)、「a&&b」「x||y」のように論理演算を行う「論理演算子」(logic operator)などがある。

多くの言語では演算子は言語仕様で定義されており開発者が任意に追加、削除、変更することはできないが、言語によってはコード中で独自の演算子を定義して利用することができたり、既存の演算子に別の演算内容を割り当てる「多重定義」(オーバーロード)ができる場合もある。

用意されている比較の種類や記法は言語によって様々だが、数の一致や大小は数学の表記に倣って「=」(等しい)「>」(より大きい)「<」(より小さい)の組み合わせで記述する場合が多い。

その際、「～以上」(≧)は「>=」または「=>」、「～以下」(≦)は「<=」または「=<」とする。不一致(≠)は「!=」や「<>」などで表されることが多い。

「=」は代入の意味で用いられることもあるため、混同や誤用しないよう一致の比較演算子を「==」などとする言語も多い。一致・不一致の演算子は数だけでなく文字や文字列、真偽値など様々なデータ型に用いられる。

異なるデータ型の比較

「1==“1”」のようなデータ型の異なる値同士の比較を許容する(自動的に一方の型に変換して比較する)言語と、これを禁じてエラーとして処理する言語がある。前者の場合、例えば「==」を実質的な内容の一致、「===」を内容とデータ型両方の一致(厳密等価演算子あるいは同値演算子と呼ばれる)として使い分ける言語もある。

複合的なデータ構造の比較

オブジェクト指向言語におけるインスタンスや、配列などの複合的なデータ構造などを比較できる言語もある。

その際、一致・不一致は「両方ともメモリ上の同一の実体を指し示している」(参照が一致している)ことを意味する場合と、「含まれるデータの型や値がすべて同じである」(内容が一致している)ことを意味する場合がある。どちらか一方の比較のみ可能な場合と、それぞれを異なる記法で書き分けるようになっている場合がある。

論理否定(NOT)、論理和(OR)、論理積(AND)、排他的論理和(XOR)のそれぞれについて、「&&」といった1～2文字記号の組み合わせや、「and」などの符号を演算子として用いる。具体的な演算子の定義は言語によって異なる。否定論理積(NAND)や否定論理和(NORなどの演算子が用意されている場合もある。

NOTは「!a」(aではない)のように演算対象となる被演算子(オペランド)を一つ記述する単項演算子で、他は「a && b」(aかつb)のように二つを記述する二項演算子である。「a && b && c」(aかつbかつc)のように三つ以上を連結することもでき、複数の論理演算のどれを先に計算するか優先順位が決まっている(ほとんどの場合NOT→AND→ORの順)。

論理演算子とビット演算子

コンピュータでは1ビットの値の1を真に、偽を0に置き換えて論理演算子を行うことが頻繁にあり、二つのビット列のそれぞれ対応する桁にある値同士(NOTではビット列の各桁の値)で論理演算を行うことをビット演算という。

ビット演算のための演算子をビット演算子と呼び、各論理演算子に対応する演算を行うためのビット演算子が別に用意されていることが多い。例えばC言語や多くの派生言語では「&&」が論理演算のAND、「&」がビット演算のAND、「||」が論理演算のOR、「|」がビット演算のORとなっている。

論理学では記号「∧」を用いて「P∧Q」のように表記し、電子工学(論理回路)では記号「⋅」を用いて「P⋅Q」のように表す。論理積演算を行う論理回路を「論理積演算回路」「AND演算回路」「ANDゲート」などと呼ぶ。

多くのプログラミング言語でもビットごとの論理積演算を行う演算子が用意されており、キーワード「and」を用いて「P and Q」と書くものや、C言語に倣って「&」(アンパサンド)記号を用いて「P&Q」と表記する言語が多い。また、ビット演算と区別して条件式などで用いる真偽値(真理値)の論理積演算を定義している言語では、「and」キーワードや「&&」などの記号が用いられることが多い。

三入力以上の場合は、まず二つを選んで論理積を取り、その結果と残りの一つを選んで論理積を取り、という手順を繰り返すことで結果を得ることができ、すべての入力が1のときのみ出力が1となり、いずれかの入力が0の場合には0となる。

論理積は論理和(OR演算)と論理否定(NOT演算)を組み合わせて P∧Q ⇔ ¬(¬P∨¬Q) と表すことができる。逆に、論理和は論理積と論理否定を組み合わせて P∨Q ⇔ ¬(¬P∧¬Q) と表すことができる。これをド・モルガンの法則という。

論理学では記号「∨」を用いて「P∨Q」のように表記し、電子工学(論理回路)では記号「+」を用いて「P+Q」のように表す。論理和演算を行う論理回路を「論理和演算回路」「OR演算回路」「ORゲート」などと呼ぶ。

多くのプログラミング言語でもビットごとの論理和演算を行う演算子が用意されており、キーワード「or」を用いて「P or Q」と書くものや、C言語に倣って「|」記号を用いて「P|Q」と表記する言語が多い。また、ビット演算と区別して条件式などで用いる真偽値(真理値)の論理和演算を定義している言語では、「or」キーワードや「||」などの記号が用いられることが多い。

三入力以上の場合は、まず二つを選んで論理和を取り、その結果と残りの一つを選んで論理和を取り、という手順を繰り返すことで結果を得ることができ、いずれかの入力が1のときに出力が1となり、すべての入力が0の場合に0となる。

論理和は論理積(AND演算)と論理否定(NOT演算)を組み合わせて P∨Q ⇔ ¬(¬P∧¬Q) と表すことができる。逆に、論理積は論理和と論理否定を組み合わせて P∧Q ⇔ ¬(¬P∨¬Q) と表すことができる。これをド・モルガンの法則という。

論理学では記号「¬」を用いて「P¬Q」のように表記し、電子工学(論理回路)では記号「¯」(上線)を用いて「P」のように表す。論理否定演算を行う論理回路を「否定演算回路」「NOT演算回路」「NOTゲート」などと呼ぶ。

多くのプログラミング言語でもビットごとの論理否定演算(ビット反転)を行う演算子が用意されており、キーワード「not」を用いて「not p」のように書くものや、C言語などの記法にならって「~」(チルダ)記号を用いて「~p」のように表記する言語が多い。

ビット演算と区別して条件式などで用いる真偽値(真理値)の論理否定演算を定義している言語では、「not」キーワードや「!」などの演算子が用いられることが多い。いずれの場合も、演算の対象となる被演算子(オペランド)が一つの単項演算子である。

論理和(OR演算)に似ているが、論理和では「いずれか一方が真」なら他方が何であれ結果は真となるが、排他的論理和では「いずれか一方のみが真」の場合に真となる。両者共に真の場合は真とならないことを「排他的」と表現している。

三入力以上の場合は、まず二つを選んで排他的論理和を取り、その結果と残りの一つを選んで排他的論理和を取り、という手順を繰り返すことで結果を得ることができる。入力における真の数が奇数個のときに出力が真に、偶数個のとき偽となる。

論理学では記号「⊻」を用いて「P⊻Q」のように表記し、電子工学(論理回路)では記号「⊕」を用いて「P⊕Q」のように表す。排他的論理和演算を行う論理回路を「排他的論理和回路」「XOR回路」「XORゲート」などと呼ぶ。

多くのプログラミング言語でもビットごとの排他的論理和演算を行う演算子が用意されており、キーワード「xor」を用いて「P xor Q」と書くものや、C言語に倣って「^」(ハット、キャレット)記号を用いて「P^Q」と表記する言語が多い。

あるビットが「0」のとき、「1」と排他的論理和を取ると「1」になるが、元の値が「1」なら結果は「0」になる。すなわち、「1と排他的論理和を取る」という演算は「そのビットの値を反転する」という操作になる。これを利用して、反転したい位置を「1」にセットしたビット列を用いて、入力値の特定のビットのみを反転させるという操作がよく用いられる。

コンピュータのCPUがプログラムを実行する際、特に指定がなければプログラムを先頭から読み込んで命令を並んでいる順に従って一つずつ実行していく。この最も基本的な命令実行の制御構造を、(他の構造と対比するため便宜的に)順次構造と呼ぶ。

一方、命令の中には命令実行の流れを変更するものもある。これを用いて、条件に従って別の実行位置に流れを分岐させる制御構造を「選択構造」あるいは「分岐構造」、条件が満たされる間だけ同じ個所を繰り返し実行する制御構造を「反復構造」あるいは「繰り返し構造」という。

コンピュータのCPUがプログラムを実行する際、特に指定がなければ命令を先頭から順に実行するが、分岐命令が存在する場合、特定の条件が満たされたらメモリの指定番地に実行位置を変更(ジャンプ)し、以降はそこから順に命令を実行していく。

このような実行制御を「条件分岐」と呼び、プログラムに複雑な処理をさせたい場合は必須の機能となる。一方、条件が満たされる間だけ同じ個所を繰り返し実行する制御構造もあり、「反復構造」あるいは「繰り返し構造」という。

コンピュータのCPUがプログラムを実行する際、特に指定がなければ命令を先頭から順に実行するが、反復構造になっている場合、指定の条件が満たされている間、指定範囲の末尾の命令を実行したら範囲の先頭に戻り、その範囲を繰り返し実行する。

同じ処理を様々な対象に次々に適用したい場合などに用いられ、プログラムに複雑な処理をさせたい場合には必須の機能となる。一方、特定の条件が満たされたらメモリの指定番地に実行位置を変更(ジャンプ)する制御構造もあり、「選択構造」あるいは「分岐構造」という。

よく知られるのはプログラムの制御構造の入れ子構造で、if( 条件A ){ ... if( 条件B ){ ... } ... } といったように、条件分岐やループの内部に、別の条件分岐やループなどが含まれた制御構造を指す。複雑な条件による分岐や多重ループを記述するための基本的なテクニックとして多くのプログラミング言語で利用できる。

for文の中にfor文を記述するなど、同じ構文を入れ子状に繰り返すことを指す場合が多いが、while文の中にif文など、異なる制御構文を内部に記述することも含む場合がある。内側の構文の内部にさらに構文を重ねて、マトリョーシカのように何重も入れ子にすることができ、階層の多さを「入れ子構造の深さ」と表現することがある。

サブルーチンなどの入れ子構造

プログラミング言語の中には、サブルーチンやプロシージャ、関数、クラスなどのコードのまとまりを入れ子構造させ、内部に同種のまとまりを定義することができるものもある。例えば、関数の内部に定義された別の関数を「関数内関数」「ローカル関数」などと呼び、クラスの内部に定義された別のクラスを「クラス内クラス」「インナークラス」「内部クラス」などという。

データ構造の入れ子構造

あるデータ構造の要素として、そのデータ構造自身を埋め込むことができる場合があり、データ構造の入れ子構造を形成する。例えば、配列を構成する個々の要素が配列になっている多次元配列は配列の入れ子構造である。

配列の配列など、内部が再帰的に同じ構造になっているものを指すことが多いが、連想配列の要素が配列になっているものなど、制御構文の場合と同じように異なる構造が入れ子状になっている場合も含むことがある。

プログラム中の様々な状況や箇所で繰り返し必要となるような処理をサブルーチンとして名前をつけて一つの塊として定義することで、その処理を何度も繰り返し記述・複製する必要がなくなり、コード量の削減や開発効率の向上、記述ミスなどによる誤り(バグ)の減少などが期待できる。

サブルーチン内部の処理に反映させるため、呼び出し側から値を指定できるようになっている場合が多く、この値を「引数」(ひきすう/argument)という。また、処理結果として呼び出し元に値を返すことができる場合があり、この値は「返り値」あるいは「戻り値」という。返り値を持つサブルーチンは「関数」(function)と呼ぶのが一般的である。

かつてはプログラムが起動したとき最初に実行される主系統のコード集合を「メインルーチン」(main routine)、そこから呼び出される形で実行される副系統のコード群をサブルーチンと呼んで区別していたが、現在ではそのような構造に当てはまらない例も増えており、サブルーチンのことを単にルーチンと呼ぶことも多い。

サブルーチンに相当するコード集合は、プログラミング言語によっては「プロシージャ」(procedure)のように異なる名称で呼ばれることもある。オブジェクト指向プログラミングでは一般的に「メソッド」(method)という。返り値を持つか否かで名称が異なる言語(Pascalのプロシージャと関数など)や、C言語のようにすべてを関数と呼ぶ場合もある。

プログラム上で関連する一連の命令群を一つのかたまりとしてまとめ、外部から呼び出せるようにしたサブルーチンやプロシージャ(手続き)の一種である。呼び出し時に引数(ひきすう/argument)と呼ばれる値を指定することができ、この値をもとに内部で処理を行って、結果を返り値(かえりち/return value)あるいは戻り値(もどりち)として呼び出し元に通知する。

プログラミング言語によって、返り値を持つものを関数(ファンクション)、処理を行うだけのものをサブルーチンやプロシージャとして区別する場合もある(Pascalなど)が、C言語やJavaScriptのようにすべてが関数で引数や返り値が省略可能になっている言語もある。

多くのプログラミング言語は開発者が自由に関数を定義してプログラム中で呼び出せる構文や記法を定めているほか、算術関数や文字列処理などよく使われる基本的な関数言語仕様や標準ライブラリなどの中であらかじめ実装済みとなっている(組み込み関数)。

関数といっても数学のように計算を行うものには限られず、「利用者に入力を促して入力値を返す」関数といったものもあり得る。途中で画面に何かを表示するなど、引数や返り値と直接関係ない処理を行ってもよい。

プログラムは内部に変数の値など実行状態を持つため、これを反映して同じ引数から異なる返り値が得られる場合もある。また、関数が行う処理によって状態が変化することもあり、これを関数の持つ「副作用」という。多くの算術関数のように副作用のない関数もある。

多くのプログラミング言語は、関数やサブルーチン、クラスなど部品化された機能単位を組み合わせて複雑なプログラムを作成する仕組みを持っている。ある言語で利用できる関数のうち、言語仕様に規定されており、処理系が直接解釈できるものを組み込み関数という。

言語によって何が用意されているかは異なるが、基本的・汎用的な文字列操作や算術演算、入出力などの関数が提供されていることが多い。オブジェクト指向言語の場合は、組み込みクラスや組み込みオブジェクト、およびそれらに付随する組み込みメソッドが同様の役割を果たす。

言語仕様に規定され、標準的に利用できる関数全体を「標準関数」という。言語によっては、組み込み関数以外にも、部品化されたプログラム集であるライブラリによって提供される標準関数が規定されている場合がある。そのような関数は「標準ライブラリ関数」という。

これに対し、開発者が自らのプログラム上で独自に定義・実装した関数を「ユーザー定義関数」(user-defined function)という。SDKなど特定の用途や環境でのみ利用可能な関数などもユーザー定義関数として実装されて提供される。

仮引数と実引数

関数などを定義する際に外部から受け取った値を表す変数などを「仮引数かりひきすう」(formal argument)、関数を呼び出す側が実際に指定した値を「実引数じつひきすう」(actual argument)という。

例えば、2つの数を受け取って和を返す関数 function sum(a, b){ return a + b; } があるとき、aやbを仮引数という。一方、この関数を呼び出すコード s=sum(1,2); における1や2が実引数となる。1はaに、2はbに代入されて関数内の処理が実行される。

値渡しと参照渡し

プログラミング言語の引数には「値渡しあたいわたし」(call by value)と「参照渡しさんしょうわたし」(call by reference)があり、どちらもサポートしている言語と片方のみサポートしている言語がある。

値渡しは変数の内容をコピーして渡す方法で、渡された関数などが変数の内容を変更しても、元の変数には影響がない。参照渡しは変数の所在を表す情報を渡す方法で、渡した側と渡された側が同じ変数を共有するため、呼び出された側で変更を加えると呼び出し側にも変更が反映される。

関数などが処理を行った結果として呼び出し元に報告される値のこと。反対に、呼び出し元から関数などに対してパラメータとして渡す値のことは「引数」(ひきすう、argument)という。

戻り値は計算結果の数値や処理結果のデータなどが代表的だが、処理が正しく終了したかどうかを表す真偽値やコード番号、メッセージなどを返す場合もある。多くの言語では「return x+y;」(変数xとyの和を返却する)のようにreturn文(リターン文)と呼ばれる記法で返す値を指定する。

ほとんどのプログラミング言語では戻り値は一つしか返すことができないが、変数への参照やメモリアドレス(ポインタ)を返したり、配列などの複合的なデータ構造、データ型に値を格納して返すことで、複数のデータの集合を返すことができるようになっていることが多い。C言語のvoid型関数のように、明示的に何も返さないよう指定できる言語もある。

関数などを定義する際に戻り値のデータ型もあらかじめ宣言するようになっていることが多く、呼び出し側で受け取る変数の型も揃える必要がある。言語によっては、同じ名前だが引数と戻り値のデータ型が異なる複数の関数やメソッドなどを同時に定義し、引数の型によって自動的に使い分ける機能(オーバーロード)が利用できる場合もある。

配列はほとんどのプログラミング言語に存在する最も基本的なデータ構造の一つで、単純に変数を一列に並べたものである。データ全体はコード中で配列名で指し示され、各要素は通し番号などの添字で区別される。例えば、長さ5の整数型の配列変数xを宣言すると、x[0]からx[4]まで5つの整数型の変数が用意され、それぞれ独立に整数値を格納することができる。

各要素のデータ型が同じでなければならない言語と、要素ごとに異なる型のデータを格納できる言語がある。変数の宣言が必須の言語では、配列変数の宣言時に要素のデータ型と数をあらかじめ指定しなければならないことが多い。要素数を後から増減できる動的配列(可変長配列)が利用できる言語もある。

添字は0から始まる整数とする言語が多く、要素がn個の配列の添字は0からn-1までとなる。添字に文字列など整数以外のデータ型の値を取れるようにしたデータ構造を利用できる言語もあり、これを「連想配列」(associative array)と呼ぶ。言語によっては同様のデータ構造を辞書(ディクショナリ)、ハッシュ、マップ、連想リスト等と呼ぶこともある。

配列の要素として配列を格納した、入れ子状のデータ構造を「多次元配列」という。配列の要素が配列になっており、その要素が値になっている構造が「2次元配列」で、配列が3段階に入れ子状になっている構造は「3次元配列」である。同様に、入れ子がn段階になっている配列を一般に「n次元配列」という。要素が値になっている単純な配列をこれらと対比する場合は「1次元配列」と呼ぶことがある。

配列変数は一つの変数に複数の値を並べて格納できるデータ構造で、多くのプログラミング言語に標準で用意されている。配列内の各要素を識別・指定するために通し番号が与えられており、これをコード上で変数名の隣などに記述したものを添字という。

例えば、C言語やその記法を受け継ぐ多くの言語では角括弧で囲んだ数字が配列の添字を表し、“a[0]” は配列aの先頭の要素を、“a[9]” は先頭から10番目の要素をそれぞれ指し示す。

スクリプト言語などでは配列の添字として0から始まる整数の通し番号以外に、任意のプリミティブ型(実数や文字列など)の値を指定できるデータ構造が用意されていることがあり、言語によって連想配列、ハッシュ、マップ、辞書(ディクショナリ)など様々な名称で呼ばれる。

IT以外の分野では、論文などの文章中で参照すべき注釈の位置を記した番号や記号、数学のべき乗の指数や対数の底、化学式の原子の数などのように、文字の斜め上や下などに小さく添えられた数字や文字、記号、数式などが添字の一種である。

配列(array)は多くのプログラミング言語に用意されている基本的なデータ構造の一つで、単純に複数のデータを一列に並べたものである。コード中で配列は配列名で参照され、配列内の各要素は添字(インデックス)によって識別される。

配列の要素に配列が格納されており、配列が入れ子状になったデータ構造を扱うことができる言語もあり、これを「多次元配列」という。例えば、配列の要素が配列になっており、その要素は値であるような2段階の入れ子構造を「2次元配列」と呼ぶ。

「1次元配列」という呼称はこのような入れ子状の配列と対比して、単に値が並んでいるだけの単純な配列のことを指す。注釈なく単に「配列」という場合は通常は1次元配列のことを意味することが多い。

配列(array)は多くのプログラミング言語に用意されている基本的なデータ構造の一つで、単純に複数のデータを一列に並べたものである。コード中で配列は配列名で参照され、配列内の各要素は添字(インデックス)と呼ばれる番号で識別される。

配列の要素が配列に、さらにその要素が配列に…という具合に入れ子構造になっている「配列の配列」を「多次元配列」(multidimensional array)という。2次元配列はその最も基本的な構造で、配列の要素が配列になっており、その要素に個々の値が格納されている。

例えば、C言語やその記法を受け継ぐ言語で整数型の配列aを int a=[2][3]; のように宣言すると、a[0]やa[1]は通常の配列とは異なりそれ自体が配列となっている。その配列の要素が値であるため、値にアクセスするには「a[0][0]」(1番目の配列の1番目の要素)、「a[1][2]」(2番目の配列の3番目の要素)のように添字を2つ指定する。

プログラミングの分野では、ソースコードのことを「プログラムリスト」「ソースリスト」などと呼び、これを略してリストということがある。

データ構造のリスト

基本的なデータ構造の一つで、複数のデータを順序を付けて格納することができる複合データ型(コンテナ/コレクション)をリストという。

中でも、各データが次のデータの所在を表す参照情報(リンク/ポインタ)を持っているものを「連結リスト」(linked list：リンクリスト/リンクトリスト)と呼び、これを略してリストという場合も多い。リストは他に動的配列などを用いても実装することができる。

連結リストの各要素はデータの他に自分の隣の要素を指し示す所在情報を持っている。これを辿ることで、各要素に順番にアクセスすることができる。各要素が自分の次(後)の要素への参照のみを持つ構造を「片方向リスト」「単方向リスト」と呼び、これに加えて自分の前の要素への参照をもつものを「双方向リスト」という。

また、先頭から末尾へ直線上に要素が連結されているものを「線形リスト」、先頭も末尾もなく要素が円環状に連結されているものを「循環リスト」という。

曖昧さのない単純で明確な手順の組み合わせとして記述された一連の手続きで、必ず有限回の操作で終了し、解を求めるか、解が得られないことが示される。コンピュータで実行する場合は、基礎的な演算、値の比較、条件分岐、手順の繰り返しなどを指示する命令を組み合わせたプログラムとして実装される。

数値などの列を大きい順または小さい順に並べ替える「整列アルゴリズム」、たくさんのデータの中から目的のものを探し出す「探索アルゴリズム」、データが表す情報を損なわずにより短いデータに変換する「圧縮アルゴリズム」といった基本的なものから、画像の中に含まれる人間の顔を検出する、といった複雑なものまで様々な種類のアルゴリズムがある。

同じ問題を解くアルゴリズムが複数存在することもあり、必要な計算回数や記憶領域の大きさ、手順のシンプルさ、解の精度などがそれぞれに異なり、目的に応じて使い分けられる。例えば、ある同じ問題に対して、原理が単純で簡単にプログラムを記述できるが性能は低いアルゴリズム、計算手順が少なく高速に実行できるが膨大な記憶領域を必要とするアルゴリズム、厳密な解を求めるものより何桁も高速に近似解を求めることができるアルゴリズムなどがある。

データの探索

何らかのデータ形式やデータ構造として集められたデータの集合に対して、一定の手順に基づいて指定の条件を満たすデータを探し出し、一致したデータやその位置を明らかにする(あるいは対象の中には存在しないことを確定させる)操作のことを「探索」(search)という。

探索アルゴリズム

コンピュータなどで実行できるよう定式化された探索手順のことを「探索アルゴリズム」(search algorithm)という。例えば、最も単純な方法として、一列に並べたデータ列に対して端から順に指定の条件に一致するか照合する方法がある。これを「線形探索」(linear search)という。

また、順位や大小が比較できるデータ群であれば、大きい順または小さい順に整列(並べ替え)して、目的のデータと半分の位置にあるデータを比較すれば、含まれる方の半分に絞り込むことができる。残ったデータ群の半分の位置と比較すれば、もう半分に絞り込める。これを繰り返して残りが一つになれば探索完了となる。この方法は「二分探索」(binary search)と呼ばれる。

線形探索では一回の比較で一つしか候補が減らないため、平均してデータの個数に比例した回数の比較が必要となる(これを $O\left(n\right)$ と表記する)が、二分探索ならば一回の比較で候補を半分に減らせるため、平均してデータの個数の2を底とした対数で済む(これを $O\left(\log n\right)$ と表記する)。

このように、探索する対象の特性に適したアルゴリズムを選択することで効率的に探索を行うことができる。文字列内の特定のパターンを探索するためのアルゴリズムや、木構造やグラフなどのデータ構造に格納された要素を探索するためのアルゴリズムなどがよく知られている。

検索との違い

ITの分野では「検索エンジン」「全文検索」のようにデータ群から条件に一致するものを探し出す操作を「検索」と呼ぶこともある。いずれも英語では “search” であり、意味や用法に明確な違いはないが、慣例として情報科学などの学問分野では「探索」の語が、探索法を応用した具体的なシステムやサービスなどでは「検索」の語が好まれる。

最も単純なアルゴリズムで、配列などに格納されたデータ列の中から、まず先頭の要素を探しているデータと比較する。一致しなければ2番目の要素と比較する。これを末尾の要素まで繰り返し、途中でデータを発見したらそこで探索を終了する。

N個のデータ列の中から線形探索する場合、最良のケースは先頭の要素と一致する場合で比較回数は1回、最悪のケースは末尾まで探してもデータが見つからなかった場合で比較はN回、平均の比較回数はN/2回となる。比較回数の平均値は要素数に正比例して増大する。

仕組みが単純なため短いプログラムコードで記述でき、コードを読んだ人が処理を理解しやすく、探索対象のデータ列以外に余分な記憶領域を消費せず、事前にデータ列のソート(大きい/小さい順に並べ直す処理)などの前処理を行う必要がないという利点がある。より高度なアルゴリズムに比べると平均の比較回数は多く、性能の高いアルゴリズムとは言えない。

まず、データを降順(大きい順)あるいは昇順(小さい順)に並べ替え、探索したいデータが中央の要素より大きいか小さいかを調べる。これにより、データが全体の前半分にあるか後ろ半分にあるかを判定することができるため、存在しない側の半分は探索範囲から外すことができる。

半分になったデータ群の中央の要素と再び比較し、前半と後半のどちらにあるかを調べる。この操作を繰り返し行うことで、一回の操作ごとに探索範囲の大きさが半分になっていき、中央の要素が求めるデータに一致するか、探索範囲の要素数が一つになる(求めるデータは見つからなかったことが確定する)と探索は終了する。

値の大小は文字の索引順の前後関係などに適宜置き換えることにより、順序と比較手段を定義できればどのようなデータにも適用することができる。

n個のデータ群から平均でlog₂n回の比較で探索を終えることができ、例えば1000個のデータを10回の比較で探索できる。原理は単純ながら高速なアルゴリズムである。ただし、要素があらかじめ整列済みである必要があるため、未整列のデータに適用するにはソートの分の計算時間も必要となる。

複数の同じ種類の要素が一列に並んでいる場合に、すべての要素に一律に適用可能な順序の規則を用いて並べ替える操作を意味する。数値と日付のように異なる種類の要素が混在していたり、要素間にじゃんけんの出し手のような循環的な関係性がある場合には正しく整列することができない。

数を小さい方から大きい方へ並べる順序を「昇順」(ascending order)、その逆を「降順」(descending order)という。数以外の場合、アルファベットを「A」から「Z」へ、読み仮名を「あ」から「ん」へ、日付や時刻を古い方(過去)から新しい方(未来)へといったように、本来の並び順や自然な順序を昇順、逆を降順という。

ソートアルゴリズム

コンピュータによるデータ処理でもソートは頻繁に用いられる操作で、整列手順を定式化したものを「ソートアルゴリズム」(sorting algorithm)という。古くから活発に研究され様々な手法が考案されており、計算回数の少なさ(高速さ)や必要な記憶装置の容量、手順のシンプルさ(プログラムの短さ)などが異なる。

平均的に効率が良く、広く用いられるのは「クイックソート」(quick sort)と呼ばれる手法で、要素数がn倍になると平均の計算時間が n×log₂n 倍になる。プログラミング言語に標準で組み込まれた配列を整列する関数などによく採用されている。

データ列に同じ値が含まれる場合、その出現順がソート前後で変わらない手法を「安定ソート」(stable sorting)、保存されるとは限らない(順序が入れ替わることがある)手法を「不安定ソート」(unstable sorting)という。

また、元のデータ列の格納領域のみを用いて操作が完結する手法を「内部ソート」(in-place sorting)、外部に別の領域を確保する必要がある手法を「外部ソート」(external sorting)という。組み込みシステムなど利用できるメモリ領域が限られる場合には、高速性よりも内部ソートであることが重視されることもある。

データの並べ替え(ソート)における順序の指定などに用いられる概念で、小さい方から大きい方へ、あるいは本来の並び順における先頭側から末尾側へ「昇(のぼ)っていく」順序のことを意味する。

数字であれば1、2、3…と小さい値から大きい値へ、アルファベットであれば「A」から「Z」に向けて、カナであれば「ア」から「ン」に向けて、日付や時刻であれば過去側・古い側から未来側・新しい側に向けて並べる順序である。

一方、大きい方から小さい方へ、あるいは本来の並び順とは逆に並べる順序は「降順」(descending order)という。「9、8、7」「Z、Y、X」「ん、を、わ」といった本来とは逆の並び順のことである。

データの並べ替え(ソート)における順序の指定などに用いられる概念で、大きい方から小さい方へ、あるいは本来の並び順における末尾側から先頭側へ「降(お)りていく」順序のことを意味する。

数字であれば9、8、7…と大きい値から小さい値へ、アルファベットであれば「Z」から「A」に向けて、カナであれば「ン」から「ア」に向けて、日付や時刻であれば未来側・新しい側から過去側・古い側に向けて並べる順序である。

一方、小さい方から大きい方へ、あるいは本来の並び順の通りに並べる順序は「昇順」(ascending order)という。「1、2、3」「A、B、C」「あ、い、う」といった本来定められた並び順のことである。

すべての要素について隣接する要素と大きさを比較し、並べたい順番と逆転していたら両者を入れ替える。この手順を最高で要素数-1回繰り返すと並べ替えが完了する。要素の入れ替えが発生しなくなった時点で処理を打ち切ってもよい。

一般的な実装では、この処理を列の一方の端から反対の端まで順番に行うことが多く、繰り返しの度に未整列の要素の中で最も大きな(あるいは小さな)要素が列の端に移動していく様子を泡(バブル)が浮き上がっていく様に例えてこのような名称となった。

最良の場合の計算時間は O(n) と高速だが、最悪の場合の計算時間は O(n²) と整列法の中でも最も遅い部類に入り、平均して高速な手法とは言えない。ただし、要素の比較・交換は順序を問わず並列化しやすいという特徴があり、並列分散処理が可能な環境では高速化することができる。

整列したいデータ列以外の記憶領域を用意しなくてよいインプレースソート(内部ソート)で、同じ大きさの要素の順序が入れ替わらない安定ソートである。アルゴリズムの理解や実装が容易で、コードの記述量が少ない。実用上はあまり使われないが、整列法の学習ではほぼ必ず取り上げられ、効率化した派生アルゴリズムも多く考案されている。

数値の列を先頭から小さい順(昇順)に並べる場合を考える。まず、先頭から末尾までの間で最も小さい値を見つけ、先頭の値と交換する。次に2番目から末尾までの間で最も小さい値を見つけ、2番目の値と交換する。

以降も同様に、「n番目から末尾までで最も小さい値を見つけ、n番目と入れ替える」という操作を繰り返す。これを末尾の一つ前の値まで繰り返せば、先頭が最も小さく末尾が最も大きい数値の列が得られる。

列の元の状態によらず O(n²) の計算量がかかるため処理時間の予測はしやすいが、ソートアルゴリズムの中では最も遅いものの一つに分類される。木構造の一種である二分ヒープ木を用いて改良した手法を「ヒープソート」(heap sort)という。

整列したいデータ列以外の記憶領域を用意しなくてよいインプレースソート(内部ソート)で、同じ大きさの要素の順序の維持は保証されない不安定ソートである。挿入ソートなどと同じように、アルゴリズムの理解や実装が容易なため、対象データ列が短いことが分かっている場合などに利用されることがある。

数値の列を先頭から小さい順(昇順)に並べる場合を考える。まず、先頭から2つの値を比較して小さい方を先頭に、大きい方を2番目に置く。次に3番目の値を取り出し、先頭・2番目と順に比較し、適切な位置に挿入する。

4番目以降も同様にして、n番目の値を取り出して先頭からn-1番目までと順番に比較し、適切な位置に挿入する操作を繰り返す。これを末尾の値まで繰り返せば、先頭が最も小さく末尾が最も大きい数値の列が得られる。

n番目の値を挿入する際、それが整列済みの列の中で最も小さければ先頭の値との1回の比較で挿入位置が決定できるが、最も大きければ整列済みの値の数(n-1回)だけ比較を繰り返さなければならない。

すなわち、要素が整列済みに近い状態ならば高速に整列を完了でき、最良計算時間はO(n)となるが、逆順に並んでいる場合は比較回数が爆発的に増大し、最悪計算時間は O(n²) となってしまう。この欠点をある程度緩和したアルゴリズムとして「シェルソート」(Shell sort)がある。

整列したいデータ列以外の記憶領域を用意しなくてよいインプレースソート(内部ソート)で、同じ大きさの要素の順序が維持される安定ソートである。アルゴリズムの理解や実装が容易なため、対象データ列が短いことが分かっている場合などに利用されることがある。人間に並べ替えを行わせると、多くの人がまっさきに自然に思いつく方法であるとも言われる。

多くのプログラミング言語には乱数を生成する組み込みの関数やメソッドなどが用意されており、呼び出すたびに規則性のないランダムな数値を返す。多くの言語では0以上1未満の浮動小数点数が得られるようになっており、用途に応じて必要な形式に計算・加工して利用する。

コンピュータはその性質上、ソフトウェアによって完全な乱数を生成することはできないため、統計的に乱数と同じ性質を持つような「擬似乱数」(pseudorandom numbers)を計算によって生成している。

これは計算方法と初期値が分かれば全く同一の数値列を再現できるため、暗号化などの用途では不都合となる場合がある。このため、センサーを内蔵して外界の物理現象を測定して数値として反映させるなどの手法により、擬似的でない真の乱数を生成する半導体チップが利用される場合もある。