無限ループ

コンピュータプログラミングにおいて、無限ループ（またはエンドレスループ）^{[1] [2]}とは、スイッチで電源をオフにしたり、プラグを抜いたりするなどの外部介入が発生しない限り、書かれたとおりに無限に続く命令のシーケンスであり、意図的な場合もあります。

コンピュータ プログラムに無限ループが含まれているかどうかを判断する一般的なアルゴリズムは存在しません。これが停止問題です。

これは、「停止または中断されるまで同じ命令を継続的に実行するタイプのコンピュータプログラム」とは異なります。^[3]次の疑似コードを考えてみましょう。

how_many  =  0 
while  is_there_more_data ()  do 
    how_many  =  how_many  +  1 
end 
display  "カウントされたアイテムの数 = "  how_many

関数is_there_more_dataによってある時点でFALSEが返されて停止または中断されるまで、同じ命令が継続的に実行 されました。

対照的に、次のループはそれ自体では終了しません。

鳥 =  1
魚 =  2
鳥 +魚> 1鳥= 3 -鳥魚= 3 -魚終了​ ​    
        
        

鳥は交互に 1 または 2 になり、魚は交互に 2 または 1 になります。外部からの介入 (「プラグを抜く」) が発生しない限り、ループは停止しません。

無限ループとは、コンピュータプログラム内の命令列が際限なくループすることである。ループには終了条件がないか、^[4]決して満たされない条件があるか、ループが最初からやり直される。協調型マルチタスク機能を備えた古いオペレーティングシステムでは、^[5]無限ループが発生すると通常、システム全体が応答しなくなる。現在普及しているプリエンプティブマルチタスクモデルでは、無限ループが発生すると通常、プログラムは利用可能なプロセッサ時間をすべて消費するが、通常はユーザーが終了させることができる。ビジーウェイトループは「無限ループ」と呼ばれることもある。無限ループは、コンピュータがハングしたりフリーズしたりする原因の1つである。他には、スラッシング、デッドロック、アクセス違反などがある。

ループとは、特定の条件が満たされるまで一連の命令を繰り返すことです。ループの固有の特性により条件が決して満たされない場合に無限ループが発生します。

これが望ましい動作となる状況がいくつかあります。たとえば、カートリッジベースのゲーム コンソールのゲームでは、プログラムを終了するオペレーティング システムがないため、通常、メイン ループに終了条件がなく、コンソールの電源がオフになるまでループが実行されます。

現代の対話型コンピュータでは、コンピュータが常にユーザの入力やデバイスのアクティビティを監視する必要があるため、ある基本的なレベルでは、デバイスの電源がオフになるかリセットされるまで継続しなければならない無限の処理アイドル ループが存在します。たとえば、アポロ誘導コンピュータでは、この外側のループは Exec プログラムに含まれており、 ^[6]コンピュータに他に行う作業がまったくない場合は、単に「コンピュータ アクティビティ」インジケータ ライトをオフにするダミー ジョブをループ実行します。

現代のコンピュータは、クラッシュしてもプロセッサやマザーボードの回路駆動クロックを停止しないのが一般的です。代わりに、オペレータにメッセージを表示するエラー状態（ブルースクリーンなど）にフォールバックし、ユーザーがプロンプトに応答して続行するか、デバイスをリセットするかを待つ無限ループに入ります。

スピンロックは、同時プログラミングで共有リソースを保護するために使用される低レベルの同期メカニズムです。 従来のロックは、スレッドがロックを取得できない場合にスレッドをスリープ状態にしますが、スピンロックは、ロックが使用可能になるまで無限ループで繰り返し「スピン」します。 この意図的な無限ループは、スレッドがロックを待機する時間を最小限に抑え、ミューテックスなどの高レベルの同期メカニズムのオーバーヘッドを回避することを目的とした意図的な設計選択です。

マルチスレッド プログラムでは、一部のスレッドが無限ループ内で実行されていても、プログラム全体が無限ループに陥ることはありません。メイン スレッドが終了すると、プロセスのすべてのスレッドが強制的に停止され、すべての実行が終了し、プロセス/プログラムが終了します。無限ループ内のスレッドは、「ハウスキーピング」タスクを実行することも、ブロックされた状態で入力 (ソケット/キューから) を待機し、入力が受信されるたびに実行を再開することもできます。

ほとんどの場合、この用語は、これが意図した結果ではない場合、つまりバグである場合に使用されます。^[7]このようなエラーは初心者プログラマーに最もよく見られますが、原因が非常に微妙な場合があるため、経験豊富なプログラマーでも発生する可能性があります。

たとえば、よくある原因の 1 つは、プログラマがリンク リストやツリーなどのデータ構造内のノードのシーケンスを反復処理し、各ノードに対してループ コードを 1 回実行しようとしていることです。リンクが不適切に形成されると、データ構造内に参照ループが作成され、1 つのノードがシーケンス内の前のノードにリンクされます。これにより、データ構造の一部がリングになり、単純なコードが永久にループすることになります。

無限ループのほとんどはコードを詳しく調べれば発見できるが、与えられたプログラムがいつ停止するか、あるいは永遠に実行されるかを判断する一般的な方法は存在しない。これが停止問題の決定不可能性である。^[8]

システムが応答可能である限り、プロセスにシグナル（ UnixのSIGINTなど）を送るか、プロセッサに割り込みを送って現在のプロセスを中止させることで、無限ループを中断できることが多い。これは、タスクマネージャ、端末でのControl-Cコマンド^{[9] 、} killコマンドまたはシステムコールを使用することで実行できる。しかし、これは常に機能するわけではなく、プロセスがシグナルに応答しないか、プロセッサがCyrixのコマバグ（命令パイプライン内で割り込み不可の命令が重複することで発生）のように割り込み不可の状態にある可能性がある。SIGKILLなどの他のシグナルは、プロセスが応答する必要がないため機能する場合もあるが、システムをシャットダウンせずにループを終了できない場合もある。

無限ループは、さまざまな制御フロー構造を使用して実装できます。最も一般的なのは、非構造化プログラミングでは上方向へのジャンプ ( goto ) ですが、構造化プログラミングでは、条件を省略するか、 のように明示的に true に設定することによって、終了しないように設定された無期限ループ ( while ループ ) ですwhile (true) ...。

いくつかの言語には、無限ループのための特別な構造があり、通常は不定ループから条件を省略します。例としては、Ada（loop ... end loop）、^[10] Fortran（DO ... END DO）、[Go（for { ... }）、[Ruby（loop do ... end）、[Rust（loop { ... }）などがあります。

簡単な例（C言語）：

#include <stdio.h> 

int main () { for (;;) // または同等、 while (1) printf ( "Infinite Loop \n " ); return 0 ; } 

    
      
   

for (;;)無限ループの形式は伝統的であり、標準リファレンスのCプログラミング言語にも記載されており、しばしば「forever」と語呂合わせで発音されます。^[11]

これは停止せずに「Infinite Loop」を出力するループです。

1980年代のBASICにおける同様の例:

10 「無限ループ」を印刷20 GOTO 10  
  

DOSバッチ ファイルでの同様の例:

: A 
echo無限ループ
goto  : A

ここでのループは非常に明白で、最後の行は無条件に最初の行に実行を戻します。

Javaの例

while ( true ) { System . out . println ( "無限ループ" ); }  
    

Bourne Again Shellの例

for (( ;; )) ; do echo "無限ループ" done  
	 

Rustの例

loop { println! ( "無限ループ" ); } 
    

以下はVisual Basicでの無限ループの例です。

dim x as integer do while x < 5 x = 1 x = x + 1ループ   
    
    
      

xこれにより、ループ コードの開始時に、 + 1xに変更される前に、値 1 (以前の値に関係なく) が割り当てられるため、 が 5 を超えることはありません。xしたがって、ループは常に = 2 になり、中断されることはありません。これは、命令をループの外側に移動して、初​​期値が 1 回だけ設定されるようにすること xで修正できます。x = 1

一部の言語では、数学記号に関するプログラマーの混乱により、意図しない無限ループが発生する可能性があります。たとえば、以下はCのコード例です。

#include <stdio.h> 

int main ( void ) { int a = 0 ; while ( a < 10 ) { printf ( "%d \n " , a ); if ( a = 5 ) printf ( "a equals 5! \n " ); a ++ ; } return 0 ; } 

      
       
       
         
         
      
   
    

予想される出力は 0 から 9 までの数字で、5 と 6 の間に「a は 5 に等しい!」が挿入されます。ただし、上記の行「 」では、= (代入) 演算子が == (等価テスト) 演算子と混同されています。代わりに、プログラムのこの時点でif (a = 5)に 5 の値が割り当てられます。したがって、は 10 に進むことができず、このループは終了できません。 aa

終了条件の評価における予期しない動作もこの問題の原因となる可能性があります。以下はCの例です。

float x = 0.1 ; while ( x != 1.1 ) { printf ( "x = %22.20f \n " , x ); x += 0.1 ; }   
    
   
    

一部のシステムでは、このループは予想どおり 10 回実行されますが、他のシステムでは決して終了しません。問題は、ループの終了条件が2 つの浮動小数点(x != 1.1)値の正確な等価性をテストすることであり、多くのコンピューターでの浮動小数点値の表現方法では、値 0.1 を正確に表現できず、各増分で丸め誤差が生じるため、このテストは失敗します (ボックスを参照)。

Pythonでも同じことが起こります:

x  =  0.1
だが x  !=  1 の場合: 
    print ( x ) 
    x  +=  0.1

等価性または非等価性のテストが予期せず失敗する可能性があるため、浮動小数点値を扱うときは、より大きいかより小さいかのテストを使用する方が安全です。たとえば、が 1.1 に等しいかどうかをテストする代わりに、、または かどうかxをテストできます。どちらも、有限回数の反復後に必ず終了します。この特定の例を修正する別の方法は、実行された反復回数をカウントする ループ インデックスとして整数を使用することです。(x <= 1.0)(x < 1.1)

同様の問題は数値解析でも頻繁に発生します。特定の結果を計算するために、誤差が選択した許容値より小さくなるまで反復を実行する必要があります。しかし、反復中の丸め誤差により、指定された許容値には決して到達できず、無限ループが発生します。

無限ループは、複数のエンティティの相互作用によって発生することがあります。リクエストを理解できない場合に常にエラー メッセージで応答するサーバーを考えてみます。サーバー自体に無限ループが発生する可能性がない場合でも、2 つのサーバー ( AとB ) で構成されるシステムは無限にループする可能性があります。A がBから不明なタイプのメッセージを受信した場合、A はBにエラー メッセージで応答します。B がエラー メッセージを理解しない場合は、B 独自のエラー メッセージでAに応答します。 A がBからのエラー メッセージを理解しない場合は、さらに別のエラー メッセージを送信します。

このような状況の一般的な例として、電子メール ループが挙げられます。電子メール ループの例としては、誰かが返信なしの受信トレイからメールを受信し、自動応答がオンになっている場合が挙げられます。返信なしの受信トレイに返信すると、「これは返信なしの受信トレイです」という応答がトリガーされます。この応答はユーザーに送信され、ユーザーは返信なしの受信トレイに自動返信を送信します。これが繰り返されます。

疑似無限ループとは、無限のように見えるが、実際には非常に長いループであるループです。

bashの例:

for  x in $( seq 1000000000 ) ; do #ループコード完了    

Cのfor ループの例:

unsigned int i ; for ( i = 1 ; i != 0 ; i ++ ) { /* ループコード */ }  
        
  

これは無限に続くように見えますが、実際には の値はi最終的に に格納できる最大値に達しunsigned int、その数値に 1 を加えると 0 にラップアラウンドしてループが終了します。 の実際の制限は、使用するシステムとコンパイラiの詳細によって異なります。任意精度の演算では、このループはコンピュータのメモリがを保持できなくなるまで続きます。が符号なし整数ではなく符号付き整数の場合、オーバーフローは未定義になります。この場合、コンパイラはコードを無限ループに最適化する可能性があります。 ii

無限再帰は、再帰によって引き起こされる無限ループの特殊なケースです。

Visual Basic for Applications (VBA)の次の例では、スタック オーバーフローエラーが返されます。

Sub Test1 ()呼び出しTest1 End Sub 
     
 

「 」ループは一見すると無限に見えますが、 break ステートメントまたはreturn ステートメントwhile (true)を使用してループを抜け出す方法がある場合があります。PHPの例:

while  ( true )  { 
    if  ( $foo -> bar () )  { 
        return ; 
    } 
}

アルダーソン ループは、終了条件はあるものの、通常はプログラマーのエラーが原因でコードの実装ではアクセスできない無限ループを表す、まれな俗語または業界用語です。これらは、ユーザー インターフェイスコード のデバッグ中に表示される最も一般的なものです。

Alderson ループの C のような疑似コードの例。プログラムは、ユーザーが指定した数値をゼロになるまで合計することになっていますが、間違った演算子が使用されています。

int sum = 0 ; int i ; while ( true ) { printf ( "合計に追加する数値を入力するか、終了するには 0 を入力してください" ); i = getUserInput (); if ( i * 0 ) { // i の 0 倍が true の場合、合計に i を追加します。注: ゼロは FALSE、非ゼロは TRUE を意味します。"i * 0" は 0 (FALSE) です! sum += i ; // (i * 0) はどの i に対しても 0 なので、合計は変化しません。条件に * ではなく != があれば変化します。} if ( sum > 100 ) { break ; // ループを終了します。終了条件は存在しますが、合計が追加されないため、終了条件に達することはありません。 } }   
 
  
   
     
        
         
   
       
          
   

^{この用語は、1996年[12]に}Microsoft Accessで[OK]ボタンや[キャンセル]ボタンのないモーダル ダイアログボックスをコーディングし、ダイアログボックスが表示されるたびにプログラム全体が無効になるプログラマー（姓はアルダーソン）にちなんで名付けられたと言われています。^[13]

• サイクル検出
• ダイバージェンス（コンピュータサイエンス）
• フォーク爆弾（無限ループは2つの主要コンポーネントの1つです）
• 無限後退

• programming-idioms.org で、いくつかの言語で無限ループを作成します。