高校「情報Ⅰ」単語帳 - 数研出版「高等学校 情報Ⅰ」 - 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。

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。

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。

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。

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。

特定の形式のデータを、ストレージ(外部記憶装置)上のファイルやその他の情報源から読み込み、利用者の操作によって編集・加工し、結果をファイルなどに保存することができる。

編集できるデータの種類や主な用途などにより、「テキストエディタ」「コードエディタ」「バイナリエディタ」「グラフィックエディタ」など様々な種類がある。単にエディタといった場合は文字データの編集を行うテキストエディタを指すことが多い。

一方、データの表示や再生のみに対応し、編集機能を持たないソフトウェアのことは「ビューワ」(viewer)「ブラウザ」(browser)「プレーヤー」(player)などという。

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。

人間がプログラミング言語で書いたソースコードには誤りが含まれることがあり、コンピュータが実行可能な形式(オブジェクトコード)に変換できないような文法上の誤りなどはコンパイラなどが検出して修正を促すが、処理の論理的な誤りなどを自動的に検知するのは難しく、開発者が自力で欠陥を見つけて除去しなければならない。

デバッガはプログラムの実行状態に介入したり、実行中のある瞬間におけるコード中の変数やメモリの特定の番地、CPU内部のレジスタなどの値を表示することができ、どこで誤りが生じているのか探し出すのを手助けしてくれる。

ブレークポイント(breakpoint)機能はプログラマがコード中の任意の箇所を指定し、実行時にその場所に差し掛かったら強制的に実行を一時停止してその時点での変数などの状態を確認することができる。

ステップ実行(step by step execution)あるいはシングルステップ実行(single stepping)は、ブレークポイントなどで一時停止後、プログラムを一ステップ(一行、一命令など)ごとに実行する機能で、各ステップで実際にどのような処理が行われたかを確認しながら実行を進めることができる。

ステップ実行中に関数呼び出しなどに出くわした場合に、その内部へ移動してさらにステップ実行するステップイン、ステップインした関数等の終了までを一気に実行(呼び出し元に戻った時点で一時停止)するステップアウト、関数等の呼び出しなどをスキップするステップオーバーなどの機能が利用できる場合もある。

オブジェクトコードを実行しつつ、対応するソースコード上での実行位置や変数名などを参照できるものをシンボリックデバッガ(symbolic debugger)あるいはソースレベルデバッガ(source-level debugger)と呼び、通常はこちらが使われるが、ソースコードが入手できない場合など特殊な状況で利用される、実行形式コードを直接解析するデバッガ(low-level debugger/machine language debugger)も存在する。

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。

一般的な符号付き整数型の場合、先頭の1ビットが正負の符号を表し、「0」ならば0あるいは正、「1」ならば負の数を表す。正の数の場合は残りビットがそのまま値となり、例えば8ビットであれば「01111111」が127を表す。

負の数の場合、符号ビット以外をどのように扱うかでいくつかの方式に分かれる。最も単純な方式として正の数と同じように符号ビット以外で絶対値(仮数)を表す手法があり、「10000000」は-0、「11111111」は-127となる。コンピュータ上では加減算の処理が複雑になるためあまり採用されていない。

多く採用されているのは符号ビット以外に絶対値の2の補数(two's complement)を格納する方式である。2進数における2の補数とは、その数に足し合わせるとちょうど桁が一つ増える最小の数で、例えば127「1111111」の2の補数は1(足すと「10000000」になる)である。この方式では「10000000」は-128、「11111111」は-1となる。

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。

二つの項が満たすべき関係を関係演算子(比較演算子)によって記述し、複数の関係を論理演算子によって組み合わせることができる。項は値(リテラル)や変数のほか、算術式や関数などを置いて計算結果を評価させることもできる。

関係演算子は二項を比較してどのような関係にあるかを表す演算子で、「等しい」(C言語では“==”)、「等しくない」(同“!=”)、「より大きい」(同“>”)「以上」(同“>=”)「より小さい」(同“<”)「以下」(同“<=”)などがある。論理演算子は命題の関係を記述する演算子で、「ではない」(NOT演算/C言語では“!”)、「または」(OR演算/同“||”)、「かつ」(AND演算/同“&&”)などがある。

条件式はこれらを組み合わせて記述する。例えば「a > 0 && a < b」という式は「aが0より大きく、かつ、aがbより小さい」という意味で、計算時のaやbの値によって、この条件が満たされる場合は式の値は真(true)に、満たされない場合は偽(false)になる。

条件式は「if( a > b )[ … }」といったようにif文やwhile文などの制御構文の条件として記述するほか、言語によっては「t = a > b;」のように演算結果をブール型の変数などに代入できる場合もある。

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。

関数などの内部の処理を記述したプログラムの中で、自らを呼び出すコードが含まれる構造を指す。例えば、階乗の計算 n!=n×(n-1)! やフィボナッチ数列 F_n=F_n-1+F_n-2 のように、定義や計算法にある種の再帰的な構造が含まれている場合、これをシンプルなコードに書き表すことができる。

現代的なプログラミング言語のほとんどは再帰呼び出しが可能な仕様となっているが、再帰的に自身を呼び出す関数などを記述する際には、何重に呼び出されても内部の状態が壊れないよう配慮された「リエントラント」(再入可能)な状態管理が行われている必要がある。

また、関数の中で自らを呼び出す箇所の手前に、脱出条件を満たしたら関数を終了する条件分岐などを記述しなければならない。脱出コードが無かったり条件が誤っていると、無限に自身を呼び出し続けて終了しないプログラムとなってしまう。その場合、実際に実行すると関数呼び出しに用いるメモリ上のスタック領域を使い果たして異常終了することになる。

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。

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。

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単純前方探索する場合、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。

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。