モジュールプログラミング

モジュラー プログラミングは、プログラムの機能を独立した交換可能なモジュールに分割し、各モジュールに目的の機能の 1 つの側面または「関心事」のみを実行するために必要なすべてのものを含めることを重視したソフトウェア設計手法です。

モジュールインターフェイスは、モジュールによって提供され、必要とされる要素を表します。インターフェイスで定義された要素は、他のモジュールによって検出できます。実装には、インターフェイスで宣言された要素に対応する作業コードが含まれます。モジュラー プログラミングは、構造化プログラミングやオブジェクト指向プログラミングと密接に関連しています。いずれも、大規模なソフトウェア プログラムやシステムを小さな部分に分解することで構築しやすくするという同じ目標を持ち、1960 年代頃に生まれました。これらの用語の歴史的な使用法は一貫していませんが、現在では「モジュラー プログラミング」は、プログラム全体のコードを高レベルで部分に分解することを指します。構造化プログラミングは、構造化制御フローを使用する低レベルのコードを指し、オブジェクト指向プログラミングは、データ構造の一種であるオブジェクトを使用するデータを指します。

オブジェクト指向プログラミングでは、モジュールを構築するためのアーキテクチャパターンとしてインターフェースを使用することは、インターフェースベースのプログラミングとして知られています。^[要出典]

モジュール プログラミングは、サブシステム (特に I/O) とソフトウェア ライブラリの形で、コードの再利用に使用されていた初期のソフトウェア システムにまで遡ります。モジュール化を目標としたモジュール プログラミング自体は、構造化プログラミング(1960 年代)の概念の大規模な類似物として、1960 年代後半から 1970 年代にかけて開発されました。「モジュール プログラミング」という用語は、少なくとも 1968 年 7 月に情報システム研究所でLarry Constantineが主催した National Symposium on Modular Programming にまで遡ります。その他の重要な概念には、情報の隠蔽(1972 年) と関心の分離(SoC、1974 年) があります。

モジュールはALGOL 68 （1968年）のオリジナル仕様には含まれていませんでしたが、初期の実装であるALGOL 68-R（1970年）とALGOL 68C（1970年）に拡張機能として含まれ、後に形式化されました。^{[1]最初からモジュールプログラミング用に設計された最初の言語の1つは、} Niklaus Wirthによる短命だったModula （1975年）でした。別の初期のモジュール言語はXerox PARCによるMesa（1970年代）で、WirthはMesaとオリジナルのModulaを基にして後継のModula-2 （1978年）を開発し、特に後継のModula-3 （1980年代）を通じて後の言語に影響を与えました。 Modula のドット修飾名の使用は、モジュールからオブジェクトを参照する場合などに、レコードのフィールドにアクセスするための表記法と一致しており (オブジェクトの属性やメソッドについても同様)、現在ではC++、C#、Dart、Go、Java、OCaml、Pythonなどで広く使用されています。モジュラープログラミングは 1980 年代から広く普及しました。オリジナルのPascal言語 (1970) にはモジュールが含まれていませんでしたが、後のバージョン、特にUCSD Pascal (1978) とTurbo Pascal (1983) には、Pascal の影響を受けたAda (1980)と同様に、「ユニット」の形式でモジュールが含まれています。Extended Pascal ISO 10206:1990 標準は、モジュラーサポートにおいて Modula2 に近いままでした。Standard ML (1984) ^[2]は、モジュール間をマップする ファンクタ(パラメータ化されたモジュール)を含む、最も完全なモジュールシステムの 1 つを備えています。M.aaM

1980 年代と 1990 年代には、C++ と Java の人気により、モジュール プログラミングはオブジェクト指向プログラミングの影に隠れ、しばしば混同されました。たとえば、C ファミリーの言語では、C++ (元はC with Classes、1980 年) と Objective-C (1983 年) でオブジェクトとクラスがサポートされていましたが、モジュールがサポートされるようになったのは 30 年以上も後のことでした。Java (1995 年) はパッケージの形でモジュールをサポートしていますが、コード編成の主な単位はクラスです。ただし、Python (1991 年) は最初からモジュールとオブジェクトの両方を積極的に使用しており、モジュールをコード編成の主な単位とし、「パッケージ」をより大規模な単位として使用していました。また、Perl 5 (1994 年) にはモジュールとオブジェクトの両方のサポートが含まれており、 CPAN (1993 年)から膨大な数のモジュールを入手できます。OCaml (1996 年)はML に続いてモジュールとファンクタをサポートしました。

モジュラー プログラミングは現在広く普及しており、1990 年代以降に開発されたほぼすべての主要言語に見られます。モジュールの相対的な重要性は言語によって異なり、クラス ベースのオブジェクト指向言語では、組織化とカプセル化の単位としてのクラスとの重複や混乱が依然としてありますが、これらはどちらも明確な概念として確立されています。

アセンブリ( C#、F#、Visual Basic .NETなどの.NET 言語の場合) またはパッケージ( Dart、Go、Javaの場合)という用語が、モジュールの代わりに使用されることがあります。他の実装では、これらは異なる概念です。Python ではパッケージはモジュールのコレクションですが、Java 9では新しいモジュールの概念(アクセス制御が強化されたパッケージのコレクション) が導入されました。

さらに、「パッケージ」という用語はソフトウェアでは他の用途にも使用されます (たとえば、.NET NuGet パッケージ)。コンポーネントも同様の概念ですが、通常はより高いレベルを指します。コンポーネントはシステム全体の一部ですが、モジュールは個々のプログラムの一部です。用語「モジュール」の規模は言語によって大きく異なります。Python では非常に小規模で、各ファイルがモジュールですが、Java 9では大規模になる予定で、モジュールはパッケージのコレクションであり、パッケージはファイルのコレクションです。

モジュールの他の用語には、 Pascal方言 で使用されるunitがあります。

モジュールの概念を正式にサポートしている言語には、Ada、ALGOL、BlitzMax、C++、C#、Clojure、COBOL、Common Lisp、D、Dart、eC、Erlang、Elixir、Elm、F、F#、Fortran、Go、Haskell、IBM/360 アセンブラ、制御言語（CL）、IBM RPG、Java、^[a] Julia、MATLAB、ML、Modula、Modula-2 、 Morpho 、NEWP、Oberon、Oberon-2、Objective-C、OCaml、いくつかのPascal派生言語（Component Pascal、Object Pascal、Turbo Pascal、UCSD Pascal）、Perl、PHP、PL/I、PureBasic、Python、R、Ruby、^[4] Rust、JavaScriptなどがあります。 、^[5] Visual Basic (.NET)およびWebDNA。

モジュールをサポートしていない言語の顕著な例としては、CとC++、そして元の形式ではPascalがあるが、 CとC++では、ヘッダーファイルを使用して個別のコンパイルおよび宣言型インターフェースを指定できる。モジュールは、 iOS 7 （2013年）でObjective-Cに追加され、C++にはC++20で追加され、^{[6] Pascalは、最初からモジュールを含んでいた}ModulaとOberon、およびモジュールを含むさまざまな派生言語に置き換えられた。JavaScriptには、 ECMAScript 2015以降、ネイティブモジュールがある。

モジュール プログラミングは、C などのように、名前付きモジュールをサポートするための明示的な構文機能がプログラミング言語にない場合でも実行できます。これは、コーディング規則、プログラミング イディオム、物理コード構造など、既存の言語機能を使用することで実現されます。IBM i は、統合言語環境(ILE)でプログラミングするときにもモジュールを使用します。

モジュールプログラミングでは、モジュールが論理的に個別の機能を実行し、明確に定義されたインターフェースを介して相互作用するように、関心が分離されます。多くの場合、モジュールは有向非巡回グラフ(DAG) を形成します。この場合、モジュール間の循環依存関係は、これらが単一のモジュールである必要があることを示していると見なされます。モジュールが DAG を形成する場合、モジュールは階層として配置できます。この場合、最下位レベルのモジュールは独立しており、他のモジュールに依存しません。上位レベルのモジュールは下位レベルのモジュールに依存します。特定のプログラムまたはライブラリは、独自の階層の最上位レベルのモジュールですが、今度は上位レベルのプログラム、ライブラリ、またはシステムの下位レベルのモジュールとして見ることができます。

モジュラー システムを作成する場合、モノリシック アプリケーション (最小のコンポーネントが全体) を作成するのではなく、いくつかの小さなモジュールを個別に記述して、それらを組み合わせ、実行可能なアプリケーション プログラムを構築します。通常、これらも個別のコンパイルによって個別にコンパイルされ、リンカーによってリンクされます。ジャストインタイム コンパイラは、実行時にこの構築の一部を「オンザフライ」で実行する場合があります。

これらの独立した機能は、一般的にプログラム制御機能または特定のタスク機能のいずれかに分類されます。プログラム制御機能は、1 つのプログラムで機能するように設計されています。特定のタスク機能は、さまざまなプログラムに適用できるように綿密に準備されています。

これにより、モジュール設計のシステムは、正しく構築されていれば、従来のモノリシック設計よりもはるかに再利用性が高くなります。これは、これらのモジュールのすべて (または多く) を他のプロジェクトで (変更せずに) 再利用できるためです。また、これにより、プロジェクトをいくつかの小さなプロジェクトに「分割」することも容易になります。理論的には、モジュール化されたソフトウェア プロジェクトは、大規模なチームで簡単に組み立てることができます。チーム メンバーがシステム全体を作成する必要はなく、システム全体について知る必要さえないからです。割り当てられた小さなタスクだけに集中できます。

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