ジャクソン構造化プログラミング

ジャクソン構造化プログラミング（JSP）は、英国のソフトウェアコンサルタントであるマイケル・A・ジャクソンによって開発され、1975年の著書「プログラム設計の原則」で説明されている構造化プログラミングの手法です。^[1] JSPの技術は、プログラムが入力として読み取り、出力として生成する必要があるファイルのデータ構造を分析し、それらのデータ構造に基づいてプログラム設計を生成することで、プログラム制御構造が自然で直感的な方法でそれらのデータ構造を処理するというものです。

JSP は、シーケンス、反復、選択 (または選択肢) という 3 つの基本構造を使用して、データとプログラムの両方の構造を記述します。これらの構造は、正規表現の視覚的表現として図式化されます (事実上) 。

マイケル A. ジャクソンは1970 年代に JSP を最初に開発しました。彼は 1975 年の著書「Principles of Program Design」でこのシステムを文書化しました。^[1] 2001 年のカンファレンス トーク^[2]では、この手法の背後にある原動力を回顧的に分析し、その後のソフトウェア エンジニアリングの発展と関連付けました。ジャクソンの目的は、COBOLバッチ ファイル処理プログラムの変更と保守を容易にすることでしたが、この手法は、シーケンス、反復、選択 ("if/then/else") などの構造化された制御構造を持つ あらゆるプログラミング言語のプログラムを設計するために使用できます。

ジャクソン構造化プログラミングはワーニアー/オール構造化プログラミング^{[3] [4]}に似ていましたが、JSPは入力と出力の両方のデータ構造を考慮しましたが、ワーニアー/オール方式は出力ストリームの構造にほぼ専念していました。

JSP が開発された当時、ほとんどのプログラムは、テープ上に保存されたシーケンシャル ファイルを処理するバッチ COBOL プログラムでした。一般的なプログラムは、入力ファイルをレコードのシーケンスとして読み取るため、すべてのプログラムが同じ構造、つまりファイル内のすべてのレコードを 1 つずつ処理する単一のメイン ループを備えていました。Jackson は、このプログラム構造はほとんどの場合間違っていると主張し、プログラマーにもっと複雑なデータ構造を探すように勧めました。Principles of Program Design ^[1]の第 3 章で、Jackson は 2 つのバージョンのプログラムを示しています。1 つは JSP を使用して設計され、もう 1 つは従来の単一ループ構造を使用しています。以下は、COBOL から Java に翻訳された彼の例です。これら 2 つのプログラムの目的は、ソートされたファイル内の繰り返されるレコード (行) のグループを認識し、各レコードとそれがファイル内で出現する回数をリストした出力ファイルを生成することです。

以下は、プログラムの従来のシングルループ バージョンです。

文字列line ; int count = 0 ;文字列firstLineOfGroup = null ; 
   
   

// 単一のメイン ループを開始します
while (( line = in . readLine ()) != null ) { if ( firstLineOfGroup == null || ! line . equals ( firstLineOfGroup )) { if ( firstLineOfGroup != null ) { System . out . println ( firstLineOfGroup + " " + count ); } count = 0 ; firstLineOfGroup = line ; } count ++ ; } if ( firstLineOfGroup != null ) { System . out . println ( firstLineOfGroup + " " + count ); }      
          
            
                
        
          
          
    
    

    
        

以下は、同じプログラムの JSP スタイル バージョンです。従来のプログラムとは異なり、ループが 2 つあり、一方が他方の中にネストされていることに注意してください。外側のループは繰り返しレコードのグループを処理し、内側のループはグループ内の個々のレコードを処理します。

文字列line ; int numberOfLinesInGroup ; 
 

line = in . readLine (); // 外側のループを開始: 1 つのグループを処理while ( line != null ) { numberOfLinesInGroup = 0 ; String firstLineOfGroup = line ;  

      
      
       

    // 内部ループを開始: グループ内の 1 つのレコードを処理
while ( line != null && line . equals ( firstLineOfGroup )) { numberOfLinesInGroup ++ ; line = in . readLine (); } System . out . println ( firstLineOfGroup + " " + numberOfLinesInGroup ); }          
        
          
    
        

ジャクソン氏は、従来の単一ループ バージョンでは、入力ファイルの構造 (繰り返される個々のレコードを含むレコードのグループが繰り返される) を自然な方法で処理できないと批判しています。その不自然な設計の 1 つの兆候は、適切に動作するために、ファイルの最初と最後のレコードを処理するための特別なコードを含める必要があることです。

JSP は、半形式的な手順を使用して、プログラムの入力と出力の既存の構造をプログラム自体の構造に取り込みます。

目的は、その存続期間中に簡単に変更できるプログラムを作成することです。ジャクソンの重要な洞察は、要件の変更は通常、既存の構造に対する小さな調整であるということでした。JSP を使用して構築されたプログラムの場合、入力、出力、およびプログラムの内部構造はすべて一致するため、入力と出力に対する小さな変更は、プログラムに対する小さな変更に変換されるはずです。

JSP は、次の 4 つのコンポーネント タイプに基づいてプログラムを構造化します。

• 基本的な操作
• シーケンス
• 反復
• 選択

この方法は、まずプログラムの入力を 4 つの基本コンポーネント タイプで記述します。次に、同じ方法でプログラムの出力を記述します。各入力と出力は、個別のデータ構造図(DSD) としてモデル化されます。デジタル信号処理 (DSP) などの計算集約型アプリケーションで JSP を機能させるには、入力と出力ではなく内部データ構造に重点を置いたアルゴリズム構造図も描画する必要があります。

入力構造と出力構造は、プログラム構造図 (PSD) と呼ばれる最終的なプログラム構造に統合またはマージされます。このステップでは、入力と出力を結合するために、少量の高レベル制御構造が追加されることがあります。プログラムによっては、出力を行う前にすべての入力を処理するものもあれば、1 つのレコードを読み取り、1 つのレコードを書き込んで反復するものもあります。このようなアプローチは、PSD に取り込む必要があります。

言語に依存しない PSD は、プログラミング言語で実装されます。JSP は制御構造レベルでのプログラミングに適しており、実装された設計では基本的な操作、シーケンス、反復、選択のみが使用されます。JSP はクラスやオブジェクトのレベルでプログラムを構造化するために使用されませんが、クラスのメソッド内で 制御フローを構造化するのに役立ちます。

JSP は、基本的なコンポーネント タイプごとにダイアグラム要素を使用して、入力、出力、プログラムの構造を記述するダイアグラム表記法を使用します。

簡単な操作をボックスとして描画します。

操作

一連の操作は、線で結ばれたボックスで表されます。以下の例では、A は操作 B、C、および D で構成されるシーケンスです。

シーケンス

反復は、結合されたボックスで表されます。また、反復された操作には、ボックスの右上隅に星が表示されます。以下の例では、A は操作 B の 0 回以上の呼び出しの反復です。

反復

選択はシーケンスに似ていますが、各オプション操作の右上隅に円が描画されます。例では、A は操作 B、C、または D のうち 1 つだけを選択します。

選択

上の図では、シーケンスまたは反復となるのは要素 A であり、要素 B、C、または D (上の図ではすべて基本要素) ではないことに注意してください。Jackson は、要素が何であるかを判断するための「ルックダウン ルール」を提示しています。つまり、要素が何であるかを調べるには、その要素の下にある要素を確認します。

例として、JSP プログラマがランレングス エンコーダを設計およびコーディングする方法を示します。ランレングス エンコーダは、入力がランで発生すると見なせるバイト ストリームであるプログラムです。ランは、同じ値のバイトが 1 回以上発生することから構成されます。プログラムの出力はバイト ペアのストリームであり、各バイト ペアはランの圧縮された記述です。各ペアの最初のバイトはランで繰り返されるバイトの値であり、2 番目のバイトはランでその値が繰り返された回数を示す数値です。たとえば、入力ストリーム (「AAAAAAAA」) で文字「A」が 8 回発生するランは、出力ストリームでバイト ペアとして「A8」を生成します。ランレングス エンコーダは、ビットマップを粗く圧縮するためによく使用されます。

JSP では、最初のステップはプログラムの入力ストリームのデータ構造を記述することです。プログラムには、同じバイト値の 0 個以上の連続で構成される入力ストリームが 1 つだけあります。入力ストリームの JSP データ構造図を次に示します。

2 番目のステップは、出力データ構造を記述することです。この場合、出力データ構造は 0 個以上のバイト ペアの反復で構成されます。

次のステップは、入力構造と出力構造のコンポーネント間の対応を記述することです。

次のステップは、2 つのデータ構造間の対応関係を使用して、入力データ構造を処理し、出力データ構造を生成できるプログラム構造を作成することです。(これは不可能な場合があります。以下の構造の衝突に関する説明を参照してください。)

プログラム構造が完成すると、プログラマーはプログラムが実行する必要がある計算操作のリストを作成し、それらの操作を適切な構造コンポーネントから分離してプログラム構造図を具体化します。

1. 1バイト読み取る
2. バイトを覚える
3. カウンターをゼロにする
4. 増分カウンタ
5. 記憶されたバイトを出力する
6. 出力カウンタ

また、この段階では、反復 (ループ) と選択 (if-then-else または case ステートメント) の条件がリストされ、プログラム構造図に追加されます。

1. バイト数が多い
2. バイトがさらにあり、このバイトは実行の最初のバイトと同じであり、カウントはまだ1バイトに収まる。

図が完成したら、使用しているプログラミング言語に翻訳できます。以下は C への翻訳です。

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> 
 

int main ( int argc , char * argv []) { int c ; int first_byte ; int count ;    

     
     
     

    c = getchar (); /* 最初のバイトを取得 */ while ( c != EOF ) { /* 実行の最初のバイトを処理 */ first_byte = c ; count = 1 ; c = getchar (); /* 次のバイトを取得 */     
        
        
          
          
             

        /* 実行内の後続のバイトを処理する */ 
while ( c != EOF && c == first_byte && count < 255 ) { /* 同じ値の 1 バイトを処理する */ count ++ ; c = getchar (); /* 次のバイトを取得する */ }                    
            
            
                 
        

        putchar ( first_byte ); 
putchar ( count ); } return EXIT_SUCCESS ; }        
    
     

『プログラム設計の原則』で、ジャクソンは特定の種類の設計上の問題を引き起こす状況を認識し、それらに対処するための手法を提供しました。

こうした状況の 1 つは、プログラムが 1 つの入力ファイルではなく 2 つの入力ファイルを処理するケースです。1975 年、標準的な「厄介な問題」の 1 つは、トランザクション処理プログラムの設計方法でした。このようなプログラムでは、更新レコードのシーケンシャル ファイルがシーケンシャル マスター ファイルに対して実行され、更新されたマスター ファイルが出力として生成されます (たとえば、銀行は夜間にバッチ プログラムを実行し、その日の預金と引き出しの記録に基づいて顧客の口座の残高を更新します)。Principles of Program Design では、この問題の標準的なソリューションと、設計の背後にあるロジックの説明が提供されました。

もう 1 つの種類の問題は、ジャクソンが「認識の難しさ」と呼んだもので、現在では解析の問題と呼ばれています。基本的な JSP 設計手法に POSIT および QUIT 操作が追加され、現在ではバックトラッキング パーサーと呼ばれる設計が可能になりました。

JSP は、「構造の衝突」と呼ばれる 3 つの状況 (境界の衝突、順序の衝突、インターリーブの衝突) も認識し、これらに対処するための手法を提供しました。構造の衝突の状況では、入力データ構造と出力データ構造の互換性がないため、入力ファイルから出力ファイルを生成することができません。実際には、2 つのプログラムを作成する必要があります。最初のプログラムは入力ストリームを処理し、それを小さなチャンクに分割し、それらのチャンクを中間ファイルに書き込みます。2 番目のプログラムは中間ファイルを読み取り、必要な出力を生成します。

JSP は、オブジェクト指向技術が利用可能になるずっと前に開発されました。JSP とその後継メソッドであるJSD は、現在「オブジェクト」と呼ばれるものを、多かれ少なかれ独立したメソッドの集合として扱いません。代わりに、CAR Hoareの研究に従って、JSP と JSD はソフトウェア オブジェクトをコルーチンとして記述します。^{[5] [6]}

• ジャクソンシステム開発
• ワーニエ/オール図

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• Java で書かれた無料のグラフィカル JSP エディター
• JSPエディタ
• ジャクソンメソッドの簡単な歴史
• ジャクソンワークベンチサイト