未定義の値

コンピューティング (特にプログラミング) において、未定義値とは、構文的には正しいものの、式に正しい値がない状態を指します。未定義値を、空の文字列、ブール値の「false」、またはその他の「空の」(ただし定義されている) 値と混同しないでください。状況によっては、未定義値への評価によって例外または未定義の動作が発生する可能性がありますが、一部のプログラミング言語では、プログラムの実行の通常の予測可能な過程で未定義値が発生することがあります。

動的型付け言語では、通常、可能な場合は未定義の値を明示的に扱います。たとえば、Perlundefには、そのような値を変数に「割り当てる」ことができる演算子^[1]があります。他の型システムでは、未定義の値は、未知で予測できない値、または単に評価の試行時にプログラムが失敗したことを意味する場合があります。Null 許容型は中間的なアプローチを提供します。以下を参照してください。

部分関数の値は、引数が定義域外にある場合、未定義になります。これには、ゼロ除算、負の数の平方根または対数など、多くの算術ケースが含まれます。もう 1 つの一般的な例は、範囲外のインデックスを持つ配列にアクセスする場合や、連想配列に含まれていないキーの値を持つ配列にアクセスする場合です。実際には、これらの状況を処理するさまざまな方法があります。

未定義の値を正常に処理する必要があるアプリケーションでは、通常の値と区別できる特別な null 値を予約するのが一般的です。これにより、以前は未定義だったケースを表す定義済みの値を作成することで、困難が解決されます。これには多くの例があります。

• C標準 I/O ライブラリは、EOFこれ以上入力できないことを示すために特別な値を予約しています。このgetchar()関数は、次に使用できる入力文字を返すか、EOFこれ以上入力できない場合は を返します。( ASCII文字コードではこの目的でヌル文字を定義していますが、標準 I/O ライブラリではヌル文字を送受信できるようにしたいため、別のEOF値を定義します。)
• IEEE 754浮動小数点演算規格では、算術演算に定義された値がない場合に返される特別な「非数」値が定義されています。例としては、ゼロによる除算、負の数の平方根または対数などがあります。
• 構造化クエリ言語には、NULL欠落データを示す特別な値があります。
• Perl言語では、述語を介して式の定義性をチェックすることができますdefined()。^[2]
• 多くのプログラミング言語は、有効なポインターとは異なるnull ポインターの概念をサポートしており、多くの場合、エラーの戻り値として使用されます。
• 一部の言語では、ほとんどの型がnull許容型であることが許可されています（例：C#）。^[3]
• ほとんどのUnix システム コールは、失敗を示すために特別な値 -1 を返します。

動的型付け言語では、初期化されていない変数がデフォルトでnull値になることが保証されることが多いのに対し、静的に型付けされた値ではそうではないことが多く、null値（明確に定義されている）と初期化されていない値（明確に定義されていない）を区別します。^[3]

一部のプログラミング言語には、値を返せなかった場合に対処するための例外処理の概念があります。関数は定義された方法で戻りますが、値を返さないため、返すための特別な値を作成する必要はありません。

これのバリエーションとしてシグナル処理があります。これはオペレーティング システム レベルで実行され、プログラミング言語に統合されていません。シグナル ハンドラは、計算の一部を終了するなど、何らかの形の回復を試みることができますが、完全に統合された例外処理ほどの柔軟性はありません。

決して返らない関数は、値が観測できないため、未定義の値を持ちます。このような関数には、値を持たないボトム型が正式に割り当てられます。例は、次の 2 つのカテゴリに分類されます。

• 永久にループする関数。これは意図的に発生する場合もあれば、決して見つからないものを検索した結果として発生する場合もあります。(たとえば、部分再帰関数でμ 演算子が失敗した場合など)
• exitシステム コールなどの計算を終了する関数。プログラム内からは前の場合と区別がつきませんが、プログラムの呼び出し元にとっては違いが生じます。

未定義値を処理する前述の方法はすべて、未定義であることを検出することが必要です。つまり、呼び出された関数は、通常の結果を返すことができないと判断し、呼び出し元に通知するための何らかのアクションを実行します。一方、未定義の動作では、ドメイン外の引数を持つ関数の呼び出しを避ける責任が呼び出し元に課せられます。発生する可能性のあることに制限はありません。最良の場合、簡単に検出できるクラッシュ、最悪の場合、一見無関係な計算での微妙なエラーです。

（「未定義の動作」の正式な定義には、「停止して発火する」や「鼻から悪魔を飛び出させる」など、さらに極端な可能性も含まれています。 ^[4]）

典型的な例は、ぶら下がりポインタ参照です。有効なポインタを逆参照するのは非常に高速ですが、ポインタが有効かどうかを判断するのは非常に複雑になる可能性があります。したがって、コンピュータ ハードウェアやCなどの低レベル言語では、ポインタを逆参照する前に検証を試みることはなく、代わりにプログラマに責任を委ねます。これにより、安全性を犠牲にして速度が向上します。

未定義値の厳密な定義は、表面的には有効な (null 以外の) 出力であり、意味はありませんが、未定義の動作は引き起こしません。たとえば、高速逆平方根関数に負の数を渡すと、数値が生成されます。あまり役に立つ数値ではありませんが、計算が完了して何かが返されます。

未定義の値は、特にハードウェアで頻繁に発生します。ワイヤが有用な情報を運んでいない場合でも、ワイヤは存在し、何らかの電圧レベルを持ちます。電圧は異常であってはなりません (たとえば、損傷を引き起こす過電圧ではありません) が、特定のロジック レベルは重要ではありません。

データ バッファーが提供されているが完全には満たされていない場合、ソフトウェアでも同じ状況が発生します。たとえば、C ライブラリstrftime関数は、提供された出力バッファーでタイムスタンプを人間が判読できる形式に変換します。出力バッファーが結果を保持するのに十分な大きさでない場合は、エラーが返され、バッファーの内容は未定義になります。

逆に、POSIXのopenシステム コールは、ファイル名、いくつかのフラグ、およびファイル モードの 3 つの引数を取ります。ファイル モードは、フラグに が含まれている場合にのみ使用されます。 が省略されている場合は、ファイル モードに未定義の値を提供するの 2 つの引数形式を使用するのが一般的です。 O_CREATopenO_CREAT

このような未定義の値を限定的に扱うことが有用な場合もあります。 後で未定義の値が無視されても、全体的な計算は適切に定義されます。

この例として、C 言語では、その整数の数値は未定義ですが、ポインタを整数に変換することが許可されています。これは、デバッグ、2 つのポインタの等価性の比較、またはXOR リンク リストの作成には役立ちます。

未定義の値を安全に処理することは、事後に競合状態を検出する楽観的同時実行制御システムでは重要です。たとえば、seqlockによって保護された共有変数を読み取ると、競合状態が発生したと判断される前に未定義の値が生成されます。その後、未定義のデータは破棄され、操作が再試行されます。これにより、未定義の値に対して実行される操作が完全な未定義の動作を生成しない限り、定義された結果が生成されます。

未定義の値が役立つその他の例としては、乱数ジェネレーターとハッシュ関数があります。返される特定の値は未定義ですが、明確に定義されたプロパティがあり、エラーなしで使用できます。

計算可能性理論では、式の未定義性はexpr ↑ と表され、定義性はexpr ↓ と表されます。

• 定義と未定義（数学）
• ヌル (SQL)