変数（コンピュータサイエンス）

コンピュータプログラミングにおいて、変数とは、関連付けられた記号名と対になった抽象的な記憶場所であり、値と呼ばれる既知または未知の量のデータまたはオブジェクトが含まれます。または、もっと簡単に言えば、変数は特定のビットセットまたはデータ型（整数、浮動小数点数、文字列など）の名前付きコンテナです。^[1]変数は、最終的にはメモリアドレスに関連付けられたり、メモリアドレスによって識別されたりします。変数名は、コンテキストに応じて、変数自体を参照するだけでなく、格納された値を参照するための通常の方法です。名前と内容をこのように分離することで、名前はそれが表す正確な情報とは独立して使用できます。コンピュータソースコード内の識別子は、実行時に値にバインドすることができ、変数の値はプログラム実行の過程で変化する可能性があります。^{[2] [3] [4] [5]}

プログラミングにおける変数は、数学における変数の概念と直接対応しない場合があります。数学における変数は抽象的であり、保存場所などの物理的なオブジェクトへの参照がありません。コンピューティング変数の値は、数学の場合のように、必ずしも方程式や公式の一部ではありません。コンピュータプログラミングの変数には、その用途を比較的わかりやすくするために長い名前が付けられることがよくありますが、数学の変数には、転写や操作を簡潔にするために、1 文字または 2 文字の簡潔な名前が付けられることがよくあります。

変数の保存場所は、複数の異なる識別子によって参照される場合があります。これは、エイリアシングと呼ばれる状況です。識別子の 1 つを使用して変数に値を割り当てると、他の識別子を通じてアクセスできる値が変わります。

コンパイラは、変数のシンボル名をデータの実際の場所に置き換える必要があります。変数の名前、型、場所は固定されていることが多いですが、その場所に格納されているデータはプログラムの実行中に変更される可能性があります。

命令型 プログラミング言語では、一般に、値はいつでもアクセスまたは変更できます。純粋 関数型言語および論理型言語では、参照の透明性の要件により、変数は式にバインドされ、その存続期間中は単一の値を保持します。命令型言語では、同じ動作が（名前付き）定数（記号定数）によって示され、通常は（通常の）変数と対比されます。

プログラミング言語の型システムによっては、変数には指定されたデータ型(整数や文字列など) しか格納できない場合があります。また、データ型は現在の値にのみ関連付けられる場合もあり、その場合は 1 つの変数にプログラミング言語でサポートされているあらゆるものを格納できます。変数は値を格納するためのコンテナです。

変数とスコープ:

• 自動変数: 関数内の各ローカル変数は、関数が呼び出されたときにのみ存在し、関数が終了すると消えます。このような変数は自動変数と呼ばれます。
• 外部変数: これらは関数の外部にある変数で、どの関数でも名前でアクセスできます。これらの変数は永続的に存在し続けます。関数が呼び出されて終了したときに現れたり消えたりするのではなく、変数を設定した関数が戻った後も値が保持されます。

変数を参照する識別子は、変数にアクセスして値を読み取ったり、値を変更したり、アクセス許可、ロック、セマフォなど の変数のその他の属性を編集したりするために使用できます。

たとえば、変数が識別子「total_count」によって参照され、その変数に数値 1956 が含まれているとします。同じ変数が識別子「r」によっても参照され、この識別子「r」を使用している場合、変数の値は 2009 に変更され、識別子「total_count」を使用して値を読み取ると、結果は 1956 ではなく 2009 になります。

変数が単一の識別子によってのみ参照される場合、その識別子は単に変数の名前と呼ぶことができます。それ以外の場合は、変数の名前の 1 つと呼ぶことができます。たとえば、前の例では、識別子 " total_count" は問題の変数の名前であり、 " r" は同じ変数の別の名前です。

変数のスコープは、変数がプログラムのテキストのどこで使用されるかを説明します。一方、変数の範囲(有効期間とも呼ばれる) は、プログラムの実行において変数が (意味のある) 値を持つ時期を説明します。変数のスコープは、その範囲に影響します。変数のスコープは、実際には変数の名前のプロパティであり、範囲は変数の格納場所のプロパティです。これらをコンテキスト (環境とも呼ばれる) と混同しないでください。コンテキストはプログラムのプロパティであり、プログラムのテキストまたは実行の時点によって異なります。「スコープ: 概要」を参照してください。さらに、オブジェクトの有効期間は変数の有効期間と一致する場合もありますが、多くの場合は結び付けられていません。

スコープは、変数の名前解決の重要な部分です。ほとんどの言語では、各変数 (および他の名前付きエンティティ) に特定のスコープが定義されていますが、これは特定のプログラム内で異なる場合があります。変数のスコープは、変数の名前が意味を持ち、変数が「可視」であると言われるプログラムのテキストの部分です。そのスコープに入ると、通常、変数の有効期間が始まり (コンテキストに入るため)、そのスコープから出ると、通常、変数の有効期間が終わります (コンテキストから出るため)。たとえば、「レキシカル スコープ」を持つ変数は、特定の関数/サブルーチン内でのみ意味を持ち、より細かく言えば、式/ステートメントのブロック内でのみ意味を持ちます (関数スコープまたはブロック スコープに応じて異なります)。これは静的解決であり、解析時またはコンパイル時に実行できます。一方、動的スコープを持つ変数は、特定の制御フローに依存するグローバル バインディングスタックに基づいて、実行時に解決されます。特定の関数内でのみアクセス可能な変数は、「ローカル変数」と呼ばれます。 「グローバル変数」、つまり範囲が不定の変数は、プログラム内のどこからでも参照できます。

一方、エクステントは、変数のランタイム (動的) な側面です。変数と値の各バインディングは、実行時に独自のエクステントを持つことができます。バインディングのエクステントとは、プログラムの実行時間のうち、変数が同じ値またはメモリ位置を参照し続ける部分です。実行中のプログラムは、クロージャの場合のように、特定のエクステントに何度も出入りすることがあります。

プログラミング言語にガベージ コレクション機能が搭載されていない限り、変数の範囲がスコープを超えて永続的に存続すると、メモリ リークが発生する可能性があります。メモリ リークとは、変数に割り当てられたメモリを解放できない状態を指します。これは、割り当て解除の目的で変数を参照するために使用される変数にアクセスできなくなるためです。ただし、Lisp のクロージャや C の静的ローカル変数で見られるように、変数バインディングがスコープを超えて拡張されることが許容される場合があります。実行が変数のスコープに戻ると、変数を再び使用できます。スコープが範囲よりも前に始まる変数は、未初期化であると言われ、アクセスされた場合、特定の値が明示的に指定されていないため、未定義の任意の値になることがよくあります (ワイルド ポインターを参照)。範囲がスコープよりも前に終了する変数は、ダングリング ポインターになる可能性があり、値が破棄されているため、再度初期化されていないと見なされます。前の 2 つのケースで説明される変数は、範囲外またはバインドされていないと言われることがあります。多くの言語では、範囲外の変数の値を使用しようとするとエラーになります。他の言語では、これを行うと予期しない結果が生じる可能性があります。ただし、このような変数には新しい値が割り当てられ、新しい範囲が与えられます。

スペース効率のため、変数に必要なメモリ スペースは、変数が最初に使用されるときにのみ割り当てられ、不要になったときに解放されます。変数はスコープ内にある場合にのみ必要となるため、スコープに入ったときに各変数の有効期間を開始すると、未使用の変数にスペースが与えられます。このようなスペースの浪費を避けるために、コンパイラは、変数が宣言されているが使用されていない場合にプログラマに警告を出すことがよくあります。

変数のスコープを可能な限り狭くして、プログラムのさまざまな部分が誤って互いの変数を変更して相互作用しないようにすることは、優れたプログラミング手法と考えられています。これにより、遠隔操作も防止されます。これを行うための一般的な手法は、プログラムのさまざまなセクションで異なる名前空間を使用するか、動的変数スコープまたはレキシカル変数スコープのいずれかを使用して個々の変数を「プライベート」にすることです。

多くのプログラミング言語では、無効または初期化されていない変数を示すために 予約値 (多くの場合nullまたはnilという名前) を使用します。

C、C++、Java、C#などの静的型付け言語では、変数にも型があり、特定の種類の値のみを格納できます。たとえば、「整数」型の変数にテキスト値を格納することは禁止されています。^[6]

Pythonなどの動的型付け言語では、変数の型はその値によって推測され、その値に応じて変化することがあります。Common Lispでは、両方の状況が同時に存在します。変数には、コンパイル時に存在する型（宣言されていない場合は、ユニバーサルスーパータイプである であると想定されます）が与えられます。値にも型があり、実行時に確認および照会できます。 T

変数の型指定により、コンパイル時にポリモーフィズムを解決することもできます。ただし、これは、変数が持つことができるスーパータイプではなく、値の型に基づいて呼び出しを解決するオブジェクト指向関数呼び出し ( C++では仮想関数と呼ばれます) で使用されるポリモーフィズムとは異なります。

変数には整数やリテラル文字列などの単純なデータが格納されることが多いですが、プログラミング言語によっては、変数に他のデータ型の値も格納できるものもあります。このような言語では、関数をパラメトリック多態的にすることもできます。これらの関数は、変数のように動作して、複数の型のデータを表します。たとえば、という名前の関数はlength、リストの長さを決定できます。リスト内の要素の数は要素の型に依存しないため、このような関数は、型シグネチャlengthに型変数を含めることでパラメトリック多態的にすることができます。

関数の仮パラメータ（または仮引数）は変数とも呼ばれます。たとえば、このPythonコードセグメントでは、

>>> def  addtwo ( x ): 
...     x + 2を返します ... >>> addtwo ( 5 ) 7  

という名前の変数は、関数が呼び出されたときに値が与えられるため、パラメータxです。整数 5 は、その値を与える引数です。ほとんどの言語では、関数パラメータはローカル スコープを持ちます。この特定の という名前の変数は、関数内でのみ参照できます(もちろん、他の関数にも という名前の変数を設定できます)。 xxaddtwox

変数の割り当てとその値の表現の詳細は、プログラミング言語間および特定の言語の実装間で大きく異なります。多くの言語実装では、ローカル変数用にスペースを割り当てます。ローカル変数の範囲は、コール スタック上の 1 回の関数呼び出しの間存続し、関数が返されるとメモリは自動的に再利用されます。より一般的には、名前のバインドでは、変数の名前がメモリ内の特定のブロック (連続したシーケンス) のバイトのアドレスにバインドされ、変数に対する操作によってそのブロックが操作されます。コードのコンパイル時に値が大きいかサイズが不明な変数では、参照がより一般的です。このような変数は、ヒープと呼ばれるメモリ プールから割り当てられた値自体を格納するのではなく、値の場所を参照します。

バインドされた変数には値があります。ただし、値は抽象概念、つまり概念です。実装では、値は何らかのデータ オブジェクトによって表され、コンピュータ メモリのどこかに格納されます。プログラム、つまりランタイム環境は、各データ オブジェクト用にメモリを確保する必要があります。メモリは有限であるため、オブジェクトが変数の値を表す必要がなくなったときに、このメモリが再利用できるようにする必要があります。

ヒープから割り当てられたオブジェクトは、特にオブジェクトが不要になったときに再利用する必要があります。ガベージ コレクション言語 ( C#、Java、 Python、 Golang、Lispなど) では、既存の変数がオブジェクトを参照できなくなると、ランタイム環境が自動的にオブジェクトを再利用します。ガベージ コレクションを行わない言語 ( Cなど) では、プログラム (およびプログラマー) は、メモリを明示的に割り当て、後で解放してメモリを再利用する必要があります。これを行わないと、メモリ リークが発生し、プログラムの実行時にヒープが枯渇し、使用可能なメモリを使い果たして最終的に障害が発生するリスクがあります。

変数が動的に作成されたデータ構造を参照する場合、そのコンポーネントの一部は変数を介して間接的にしかアクセスできないことがあります。このような状況では、ガベージ コレクター (またはガベージ コレクターのない言語の類似のプログラム機能) は、変数からアクセス可能なメモリの一部のみを再利用する必要がある場合に対処する必要があります。

数学的な変数や定数とは異なり、プログラミング変数や定数は、通常COST、 や などの複数文字の名前を持ちますtotal。 1 文字の名前は、補助変数にのみ使用されるのが最も一般的です。たとえば、配列インデックス変数 の場合は、iなどです。jk

いくつかの命名規則は、有効な識別子の形式を含む言語構文の一部として言語レベルで強制されます。ほとんどすべての言語では、変数名は数字 (0 ～ 9) で始まることはできず、空白文字を含めることもできません。変数名に句読点が使用できるかどうかは言語によって異なります。多くの言語では、変数名にアンダースコア("_") のみが許可され、その他の句読点はすべて禁止されています。一部のプログラミング言語では、変数のデータ型またはスコープを示すために、変数識別子に シジル(記号または句読点) が付けられます。

変数名の大文字と小文字の区別も言語によって異なり、一部の言語では特定のエンティティに名前を付ける際に特定の大文字と小文字を使用する必要があります。 ^{[注 1]}最近の言語のほとんどは大文字と小文字を区別しますが、一部の古い言語では区別されません。一部の言語では、特定の形式の変数名が独自の内部使用のために予約されています。多くの言語では、2 つのアンダースコア ("__") で始まる名前は、多くの場合このカテゴリに分類されます。

しかし、言語によって課せられる基本的な制限を除けば、変数の命名は主にスタイルの問題です。マシンコードレベルでは変数名は使用されない為、選択された正確な名前はコンピュータにとって重要ではありません。従って、変数名は変数を識別するものであり、それ以外では、プログラマーがプログラムを書きやすく理解しやすくするためのツールにすぎません。変数名の選択が適切でないと、説明的でない名前よりもコードのレビューが難しくなる可能性があるため、わかりやすい名前が推奨されます。^{[7] [8]}

プログラマーは、変数の命名に関するガイダンスを提供したり、正確な命名スキームを課したりするコード スタイル ガイドラインを作成して遵守することがよくあります。名前が短いほど入力は速くなりますが、説明性は低くなります。名前が長いと、プログラムが読みやすくなり、変数の目的が理解しやすくなります。ただし、変数名が極端に冗長になると、コードがわかりにくくなることもあります。

変数は、その存続期間に基づいて分類できます。変数の種類には、静的、スタック動的、明示的ヒープ動的、暗黙的ヒープ動的があります。静的変数はグローバル変数とも呼ばれ、実行開始前にメモリ セルにバインドされ、終了まで同じメモリ セルに残ります。典型的な例は、C および C++ の静的変数です。スタック動的変数はローカル変数と呼ばれ、宣言文の実行時にバインドされ、プロシージャが返されるときに割り当て解除されます。主な例は、C サブプログラムと Java メソッドのローカル変数です。明示的ヒープ動的変数は、プログラマが指定した明示的なランタイム命令によって割り当ておよび割り当て解除される名前のない (抽象) メモリ セルです。主な例は、C++ の動的オブジェクト (new および delete 経由) と Java のすべてのオブジェクトです。暗黙的ヒープ動的変数は、値が割り当てられるときにのみヒープ ストレージにバインドされます。割り当てと解放は、値が変数に再割り当てされるときに発生します。その結果、暗黙的ヒープ動的変数は最も柔軟性が高くなります。主な例としては、JavaScript、PHP の一部の変数と、APL のすべての変数が挙げられます。

• 制御変数（プログラミング）
• 非ローカル変数
• 一時変数
• 変数補間
• スカラー（数学）

• Brookshear, J. Glenn (2019). 「コンピュータサイエンス：概要」(PDF) 。2024年4月1日閲覧。