命令型プログラミング

コンピュータサイエンスにおいて、命令型プログラミングとは、プログラムの状態を変更するステートメントを使用するソフトウェアのプログラミングパラダイムです 。自然言語の命令法がコマンドを表現するのと同じように、命令型プログラムはコンピュータが実行するコマンドで構成されています。命令型プログラミングは、期待される結果の高レベルの説明ではなく、プログラムがステップごとにどのように動作するかを記述することに重点を置いています^[1]。

この用語は、プログラムが結果を達成する方法の詳細をすべて指定せずに、プログラムが達成すべきことに焦点を当てた宣言型プログラミングとは対照的に使用されることが多い。 ^[2]

手続き型プログラミングは命令型プログラミングの一種で、プログラムは 1 つ以上のプロシージャ (サブルーチンまたは関数とも呼ばれる) から構築されます。これらの用語は同義語としてよく使用されますが、プロシージャの使用は、命令型プログラムの外観と構築方法に劇的な影響を及ぼします。状態の変化がプロシージャに限定されるか、明示的な引数とプロシージャからの戻り値に制限される高度な手続き型プログラミングは、構造化プログラミングの一種です。1960 年代以降、構造化プログラミングとモジュール型プログラミングは一般に、命令型プログラムの保守性と全体的な品質を向上させる手法として推進されてきました。オブジェクト指向プログラミングの背後にある概念は、このアプローチを拡張しようとしています。

手続き型プログラミングは、宣言型プログラミングへの一歩と見なすことができます。プログラマーは、プロシージャの名前、引数、戻り値の型 (および関連するコメント) を見るだけで、特定のプロシージャが何を行うのかを判断できます。必ずしも結果を達成する方法の詳細を見る必要はありません。同時に、完全なプログラムは、実行されるステートメントとその実行順序を大幅に 固定するため、依然として命令型です。

ほとんどすべてのコンピュータのプログラムを構築するために使用されるプログラミングパラダイムは、通常、命令型モデルに従います。^{[注 1]デジタルコンピュータハードウェアは、コンピュータ固有の}機械語を実行するように設計されています。機械語は通常、命令型スタイルで記述されますが、 LISPマシンなどの一部のアーキテクチャでは、他のパラダイムを使用する低レベルのコンパイラとインタープリタが存在します。

この低レベルの観点からは、プログラムの状態はメモリの内容によって定義され、ステートメントはコンピュータのネイティブ マシン言語の命令です。より高レベルの命令型言語では、変数とより複雑なステートメントが使用されますが、それでも同じパラダイムに従います。レシピとプロセスチェックリストは、コンピュータ プログラムではありませんが、命令型プログラミングとスタイルが似ているよく知られた概念です。各ステップは命令であり、物理世界が状態を保持します。命令型プログラミングの基本的な考え方は概念的によく知られており、ハードウェアに直接具体化されているため、ほとんどのコンピュータ言語は命令型スタイルです。

命令型パラダイムにおける代入文は、メモリ内にある情報に対して操作を実行し、その結果を後で使用するためにメモリに格納します。さらに、高水準命令型言語では、算術演算と関数評価の組み合わせで構成される複雑な式の評価と、結果の値をメモリに割り当てることができます。ループ文 ( while ループ、do while ループ、for ループなど) を使用すると、一連の文を複数回実行できます。ループは、そこに含まれる文を定義済みの回数だけ実行することも、何らかの条件が満たされるまで繰り返し実行することもできます。条件分岐文を使用すると、何らかの条件が満たされた場合にのみ一連の文を実行できます。それ以外の場合、文はスキップされ、実行シーケンスはその後の文から続行されます。無条件分岐文を使用すると、実行シーケンスをプログラムの別の部分に転送できます。これには、ジャンプ (多くの言語でgotoと呼ばれる)、スイッチ、およびサブプログラム、サブルーチン、またはプロシージャ呼び出し (通常は呼び出し後の次の文に戻る) が含まれます。

高級プログラミング言語の開発初期にブロックが導入され、一連の文と宣言を 1 つの文として扱うプログラムを構築できるようになりました。また、サブルーチンの導入により、複雑な構造を階層的に分解してより単純な手続き型構造に表現できるようになりました。

多くの命令型プログラミング言語（ Fortran、BASIC、Cなど）はアセンブリ言語を抽象化したものである。^[3]

最も初期の命令型言語は、最初のコンピュータの機械語でした。これらの言語では、命令は非常に単純で、ハードウェアの実装は容易でしたが、複雑なプログラムの作成は妨げられました。 1954年にIBM ( International Business Machines )でJohn Backusによって開発されたFORTRANは、複雑なプログラムの作成において機械語によってもたらされる障害を取り除いた最初の主要なプログラミング言語でした。FORTRANは、名前付き変数、複雑な式、サブプログラム、および現在命令型言語で一般的になっている他の多くの機能を許可したコンパイル言語でした。次の20年間で、他の多くの主要な高水準命令型プログラミング言語が開発されました。1950年代後半から1960年代にかけて、数学的アルゴリズムをより簡単に表現できるようにするためにALGOLが開発され、一部のコンピュータではオペレーティングシステムのターゲット言語としても機能しました。MUMPS (1966) は命令型のパラダイムを論理的に極限まで推し進め、文を一切持たず、純粋にコマンドに依存し、IF コマンドと ELSE コマンドを互いに独立させ、$TEST という固有変数によってのみ接続するほどでした。COBOL (1960) とBASIC (1964) はどちらも、プログラミング構文を英語に近づける試みでした。 1970 年代には、Niklaus WirthによってPascalが開発され、Bell Laboratoriesに勤務していたDennis RitchieによってCが作成されました。 Wirth はその後Modula-2とOberon を設計しました。米国国防総省のニーズに対応するため、Jean IchbiahとHoneywellのチームは、言語の要件を定義する 4 年間のプロジェクトを経て、1978 年に Ada の設計を開始しました。この仕様は 1983 年に初めて公開され、1995 年、2005 年、2012 年に改訂されました。

1980 年代には、オブジェクト指向プログラミングへの関心が急速に高まりました。これらの言語は命令型のスタイルでしたが、オブジェクトをサポートするための機能が追加されました。20 世紀最後の 20 年間には、このような言語が数多く開発されました。1969年にAlan Kayによって最初に考案されたSmalltalk -80 は、1980 年に Xerox Palo Alto Research Center ( PARC ) によってリリースされました。別のオブジェクト指向言語であるSimula ( 1960 年代に開発された世界初のオブジェクト指向プログラミング言語と見なされています) の概念を参考にして、 Bjarne Stroustrup はCに基づくオブジェクト指向言語であるC++を設計しました。C ++の設計は1979 年に始まり、最初の実装は 1983 年に完了しました。1980 年代後半から 1990 年代にかけて、オブジェクト指向の概念を採用した著名な命令型言語には、1987 年にLarry WallによってリリースされたPerlがあります。1990 年にGuido van RossumがリリースしたPython 、 1991 年と 1993 年にMicrosoftがリリースしたVisual BasicとVisual C++ ( Microsoft Foundation Class Library (MFC) 2.0 を含む)、 1994 年にRasmus LerdorfがリリースしたPHP 、1995 年にJames Gosling ( Sun Microsystems )がリリースしたJava、 1995 年にBrendan Eich ( Netscape )がリリースしたJavaScript 、および1995 年に Yukihiro "Matz" Matsumoto がリリースしたRuby などです。Microsoft の.NET Framework (2002) は、その中心にある命令型であり、その上で実行される主な対象言語であるVB.NETとC#も同様です。ただし、Microsoft の関数型言語であるF#もその上で実行されます。

FORTRAN (1958) は、「IBM 数学式変換システム」として発表されました。文字列処理機能のない科学計算用に設計されました。宣言、式、ステートメントとともに、次の機能をサポートしました。

• 配列
• サブルーチン
• 「do」ループ

成功した理由は次のとおりです。

• プログラミングとデバッグのコストはコンピュータの運用コストを下回った
• IBMによってサポートされた
• 当時の応用は科学的なものでした。^[4]

しかし、IBM以外のベンダーもFortranコンパイラを作成しましたが、その構文はIBMのコンパイラでは失敗する可能性が高いものでした。^[4]米国規格協会（ ANSI ）は1966年に最初のFortran標準を開発しました。1978年にFortran 77が標準となり、1991年まで使用されました。Fortran 90は以下をサポートしています。

• 記録
• 配列へのポインタ

COBOL (1959) は「COmmon Business Oriented Language」の略です。Fortran はシンボルを操作しました。シンボルは数字である必要がないことがすぐに認識されたため、文字列が導入されました。^[5]米国国防総省はCOBOL の開発に影響を与え、グレース・ホッパーが主な貢献者でした。ステートメントは英語に似ており、冗長でした。目標は、管理者がプログラムを読めるような言語を設計することでした。しかし、構造化されたステートメントがないため、この目標は達成できませんでした。^[6]

COBOLの開発は厳しく管理されていたため、ANSI標準を必要とする方言は出現しませんでした。その結果、1974年まで15年間変更されませんでした。1990年代のバージョンでは、オブジェクト指向プログラミングなどの重要な変更が行われました。^[6]

ALGOL (1960) は「ALGOrithmic Language」の略で、プログラミング言語の設計に大きな影響を与えました。^{[7]ヨーロッパとアメリカのプログラミング言語の専門家の委員会から生まれたこの言語は、標準的な数学表記法を使用し、読みやすい構造化された設計でした。Algol は、} Backus-Naur 形式を使用して構文を定義した最初の言語でした。^{[7]これにより、}構文指向のコンパイラが生まれました。次のような機能が追加されました。

• ブロック構造では、変数はブロック内でローカルである
• 可変境界を持つ配列
• 「for」ループ
• 機能
• 再帰^[7]

Algolの直接の子孫には、ある系統ではPascal、Modula-2、Ada、Delphi、Oberonがあります。別の系統ではC、C++、Javaがあります。^[7]

BASIC (1964) は「初心者向け多目的シンボリック命令コード」の略です。ダートマス大学ですべての学生が学習できるように開発されました。^[8]学生がより強力な言語に進まなかったとしても、Basic は記憶に残ります。^[8] Basic インタープリタは、 1970 年代後半に製造されたマイクロコンピュータにインストールされました。マイクロコンピュータ産業が成長するにつれて、言語も成長しました。^[8]

Basicは対話型セッションの先駆者でした。^{[8]その環境内で}オペレーティングシステムのコマンドを提供しました。

• 「new」コマンドは空のスレートを作成した
• ステートメントはすぐに評価されます
• 文の前に行番号をつけてプログラムすることができる
• 「list」コマンドはプログラムを表示した
• 「run」コマンドはプログラムを実行した

しかし、Basicの構文は大規模なプログラムには単純すぎました。^[8]最近の言語方言では、構造とオブジェクト指向の拡張機能が追加されました。Microsoftの Visual Basicは現在でも広く使用されており、グラフィカルユーザーインターフェイスを生成します。^[9]

C プログラミング言語(1973) は、 BCPL言語がBに置き換えられ、AT&T ベル研究所が次のバージョンを「C」と呼んだことからその名前が付けられました。その目的は、UNIX オペレーティング システムを作成することでした。^[10] C は比較的小さな言語であるため、コンパイラの作成が容易です。その成長は、1980 年代のハードウェアの成長を反映しています。^{[10]また、}アセンブリ言語の機能を備えながら、高水準の構文を使用しているため、成長しました。次のような高度な機能が追加されました。

• インラインアセンブラ
• ポインタの演算
• 関数へのポインタ
• ビット操作
• 複雑な演算子を自由に組み合わせる^[10]

C では、プログラマーがメモリのどの領域にデータを格納するかを制御できます。グローバル変数と静的変数は、格納に必要なクロック サイクルが最も少なくなります。標準変数宣言にはスタックが自動的に使用されます。ヒープメモリは、関数からポインター変数に返されます。 malloc()

• グローバルおよび静的データ領域は、プログラム領域のすぐ上にあります。(プログラム領域は技術的にはテキスト領域と呼ばれます。マシン命令が格納される場所です。)

• グローバルデータ領域と静的データ領域は、技術的には2つの領域です。^{[11] 1つの領域は}初期化データセグメントと呼ばれ、デフォルト値で宣言された変数が格納されます。もう1つの領域はセグメントによって開始されるブロックと呼ばれ、デフォルト値なしで宣言された変数が格納されます。
• グローバルおよび静的データ領域に格納される変数のアドレスはコンパイル時に設定されます。その値はプロセスの存続期間中保持されます。

• グローバルおよび静的領域には、関数の上（外部）で宣言されたグローバル変数main()が格納されます。^[12]グローバル変数はmain()、ソースコード内の他のすべての関数から参照できます。

一方、関数内main()、他の関数内、または{ } ブロック区切り文字内の変数宣言はローカル変数です。ローカル変数には仮パラメータ変数も含まれます。パラメータ変数は関数定義の括弧内に囲まれます。^[13]それらは関数へのインターフェースを提供します。

• プレフィックスを使用して宣言されたローカル変数も、グローバルおよび静的データstatic領域に格納されます。^[11]グローバル変数とは異なり、静的変数は関数またはブロック内でのみ表示されます。静的変数は常に値を保持します。使用例は次の関数です。int increment_counter(){ static int counter = 0; counter++; return counter;}

• スタック領域は、最上位のメモリアドレスの近くにある連続したメモリブロックです。^[14]スタックに配置された変数は、上から下に向かって設定されます。^[14]スタックポインタは、最後に設定されたメモリアドレスを追跡する特別な目的のレジスタです。 ^{[14]変数は、}アセンブリ言語のPUSH命令によってスタックに配置されます。したがって、これらの変数のアドレスは実行時に設定されます。スタック変数のスコープが失われる方法は、POP命令を使用することです。

• プレフィックスなしで宣言されたローカル変数static（仮パラメータ変数を含む）^[15]は自動変数^[12]と呼ばれ、スタックに格納されます。^[11]これらは関数またはブロック内で可視であり、関数またはブロックを終了するとスコープを失います。

• ヒープ領域はスタックの下にあります。^[11]下から上に向かってデータが配置されます。オペレーティングシステムは、ヒープポインタと割り当てられたメモリブロックのリストを使用してヒープを管理します。 ^[16]スタックと同様に、ヒープ変数のアドレスは実行時に設定されます。ヒープポインタとスタックポインタが出会うと、メモリ不足エラーが発生します。

• C言語はヒープメモリを割り当てるmalloc()ためのライブラリ関数を提供しています。^[17]ヒープにデータを格納するのは追加のコピー関数です。ヒープに格納された変数は、ポインタを使用して関数に効率的に渡されます。ポインタがなければ、データブロック全体をスタック経由で関数に渡す必要があります。

1970 年代、ソフトウェア エンジニアは、大規模なプロジェクトをモジュールに分割するための言語サポートを必要としていました。 [ ^{18] 1 つの明らかな機能は、大規模なプロジェクトを}物理的に別々のファイルに分解することでした。あまり明らかではない機能は、大規模なプロジェクトを論理的に抽象 データ型に分解することでした。 ^[18]当時、言語は整数、浮動小数点数、文字列などの具体的な (スカラー) データ型をサポートしていました。具体的なデータ型は、その表現が名前の一部になっています。^[19]抽象データ型は、具体的なデータ型の構造であり、新しい名前が割り当てられています。たとえば、整数のリストはと呼ばれます。 integer_list

オブジェクト指向の専門用語では、抽象データ型はクラスと呼ばれます。しかし、クラスは定義に過ぎず、メモリは割り当てられません。クラスにメモリが割り当てられると、そのクラスはオブジェクトと呼ばれます。^[20]

オブジェクト指向命令型言語は、クラスの必要性と安全な関数型プログラミングの必要性を組み合わせて開発されました。 ^{[21]オブジェクト指向言語では、関数はクラスに割り当てられます。割り当てられた関数は、}メソッド、メンバー関数、または操作と呼ばれます。オブジェクト指向プログラミングは、オブジェクトに対して操作を実行します。 ^[22]

オブジェクト指向言語は、サブセット/スーパーセット関係をモデル化する構文をサポートしています。集合論では、サブセットの要素はスーパーセットに含まれるすべての属性を継承します。たとえば、学生は人です。したがって、学生の集合は人の集合のサブセットです。結果として、学生はすべての人に共通するすべての属性を継承します。さらに、学生は他の人が持っていない独自の属性を持っています。オブジェクト指向言語は、継承を使用してサブセット/スーパーセット関係をモデル化します。^[23]オブジェクト指向プログラミングは、 1990年代後半までに支配的な言語パラダイムになりました。^[18]

C++（1985）はもともと「C with Classes」と呼ばれていました。^[24] Simula言語のオブジェクト指向機能を追加することでCの機能を拡張するように設計されました。^[25]

オブジェクト指向モジュールは 2 つのファイルで構成されます。定義ファイルはヘッダー ファイルと呼ばれます。以下は、単純な学校アプリケーションの GRADE クラスのC++ヘッダー ファイルです。

// グレード.h 
// -------


// 複数のソース ファイルが重複エラーなしでこのヘッダー ファイル
をインクルードできるようにするために使用されます。 // 参照: https://en.wikipedia.org/wiki/Include_guard 
// ---------------------------------------------- 
#ifndef GRADE_H 
#define GRADE_H

class GRADE { public : // これはコンストラクター操作です。// ---------------------------------- GRADE ( const char letter );  

    
    
         

    // これはクラス変数です。
// ------------------------- char letter ;    
     

    // これはメンバー操作です。
// --------------------------- int grade_numeric ( const char letter );    
         

    // これはクラス変数です。
// ------------------------- int numeric ; }; #endif    
     

コンストラクタ操作はクラス名と同じ名前を持つ関数です。^[26]呼び出し操作がnewステートメントを実行するときに実行されます。

モジュールのもう 1 つのファイルはソース ファイルです。以下は、単純な学校アプリケーションの GRADE クラスの C++ ソース ファイルです。

// grade.cpp 
// --------- 
#include "grade.h" 

GRADE :: GRADE ( const char letter ) { // キーワード 'this' を使用してオブジェクトを参照します。// ------------------------------------------------ this -> letter = letter ;    

    
    
      

    // これは時間的凝集性です
// ------------------------- this -> numeric = grade_numeric ( letter ); }    
        


int GRADE :: grade_numeric ( const char letter ) { if ( ( letter == 'A' || letter == 'a' ) ) 4を返します。else if ( ( letter == 'B' || letter == 'b' ) ) 3を返します。else if ( ( letter == 'C' || letter == ' c' ) ) 2を返します。else if ( ( letter == 'D' || letter == 'd' ) ) 1を返します。else if ( ( letter == 'F' || letter == ' f' ) ) 0を返します。else -1を返します。}     

               
         
    
               
         
    
               
         
    
               
         
    
               
         
    
         

以下は、単純な学校アプリケーションの PERSON クラスのC++ヘッダー ファイルです。

// person.h 
// -------- 
#ifndef PERSON_H 
#define PERSON_H

クラスPERSON { public : PERSON ( const char * name ); const char * name ; }; #endif  

         
      

以下は、簡単な学校アプリケーションの PERSON クラスのC++ソース ファイルです。

// person.cpp 
// ---------- 
#include "person.h" 

PERSON :: PERSON ( const char * name ) { this -> name = name ; }     

      

以下は、単純な学校アプリケーションの STUDENT クラスのC++ヘッダー ファイルです。

// student.h 
// --------- 
#ifndef STUDENT_H 
#define STUDENT_H

#include "person.h" #include "grade.h" 
 

// STUDENT は PERSON のサブセットです。
// -------------------------------- 
class STUDENT : public PERSON { public : STUDENT ( const char * name ); ~ STUDENT (); GRADE * grade ; }; #endif    

         
    
     

以下は、簡単な学校アプリケーションの STUDENT クラスのC++ソース ファイルです。

// student.cpp 
// ----------- 
#include "student.h" #include "person.h" 
 

STUDENT :: STUDENT ( const char * name ) : // PERSON スーパークラスのコンストラクタを実行します。// ------------------------------------------------- PERSON ( name ) { // 他に何もすることはありません。// ------------------- }     
    
    
      

    
    


STUDENT ::~ STUDENT () { // メモリリークを避けるために、grade のメモリを解放します。// ------------------------------------------------- delete this -> grade ; } 

    
    
    
     

デモ用のドライバー プログラムは次のとおりです。

// student_dvr.cpp 
// --------------- 
#include <iostream> #include "student.h" 
 

int main ( void ) { STUDENT * student = new STUDENT ( "The Student" ); student -> grade = new GRADE ( 'a' );   

          
         

    std :: cout // 学生が PERSON の名前を継承していることに注意してください<< student -> name << ": Numeric grade = " << student -> grade -> numeric << " \n " ; 
        
         
         
         
         

    // メモリ リークを回避するために、学生のメモリを解放します
。// ------------------------------------------------- delete student ;    
    
     

	0 を返す; } 

すべてをコンパイルするためのmakefileは次のとおりです。

# メイクファイル
# --------
すべて: student_dvr 

クリーン:
     rm  student_dvr  *.o

student_dvr : student_dvr . cpp grade . o student . o person . o c++ student_dvr.cpp grade.o student.o person.o -o student_dvr    
          

grade.o : grade.cpp grade.h c ++ -c grade.cpp​​​  
      

student.o :学生.cpp学生.h c ++ -c学生.cpp  
      

person.o : person.cpp person.h c ++ -c person.cpp
​​​  
      

• 関数型プログラミング
• リアクティブプログラミング
• プログラミング言語の歴史
• 命令型プログラミング言語のリスト

• Pratt, Terrence W. およびMarvin V. Zelkowitz著『プログラミング言語: 設計と実装』第 3 版。Englewood Cliffs、NJ: Prentice Hall、1996 年。
• Sebesta, Robert W. 『プログラミング言語の概念』、第 3 版。マサチューセッツ州レディング: Addison-Wesley Publishing Company、1996 年。

元々は、 Nupediaの Stan Seibert による記事「命令型プログラミング」に基づいており、 GNU Free Documentation Licenseに基づいてライセンスされています。