情報の隠蔽

コンピュータサイエンスにおいて、情報の隠蔽とは、コンピュータプログラム内で変更される可能性が最も高い設計上の決定を分離し、設計上の決定が変更された場合でもプログラムの他の部分が広範囲に修正されるのを防ぐという原則です。この保護には、実装（詳細が変更される可能性が高い）からプログラムの残りの部分を保護する安定したインターフェイスの提供が含まれます。別の言い方をすると、情報の隠蔽とは、プログラミング言語の機能（プライベート変数など）または明示的なエクスポートポリシーを使用して、クラスまたはソフトウェアコンポーネントの特定の側面がクライアントにアクセスできないようにする機能です。

概要

カプセル化という用語は、情報隠蔽と同義で使われることが多い。しかし、両者の違いについては誰もが同意しているわけではない。情報隠蔽は原理であり、カプセル化は技術であると考える人もいる。ソフトウェアモジュールは、情報をモジュールまたはインターフェイスを提供する他の構造にカプセル化することで情報を隠蔽する。^[1]

情報隠蔽の一般的な用途は、データの物理的なストレージレイアウトを隠蔽することです。これにより、レイアウトが変更された場合でも、変更はプログラム全体の小さなサブセットに制限されます。たとえば、3 次元の点 ( $x$ 、 $y$ 、 $z$ ) がプログラム内で 3 つの浮動小数点スカラー変数で表現され、後でその表現がサイズ 3 の単一の配列変数に変更された場合、情報隠蔽を念頭に置いて設計されたモジュールは、プログラムの残りの部分をそのような変更から保護します。

オブジェクト指向プログラミングでは、情報の隠蔽（型のネストによる）により、不確実な実装（設計上の決定）に対するコードの依存関係が明確に定義されたインターフェースに移され、ソフトウェア開発のリスクが軽減されます。インターフェースのクライアントはインターフェースを通じてのみ操作を実行するため、実装が変更されてもクライアントを変更する必要はありません。

カプセル化

グレイディ・ブーチはオブジェクト指向設計に関する著書の中で、カプセル化を「抽象化の構造と動作を構成する要素を区分化するプロセスであり、カプセル化は抽象化の契約インターフェースとその実装を分離する役割を果たす」と定義しています。^[2]

目的は、変更の可能性を実現することです。つまり、コンポーネントの内部メカニズムを他のコンポーネントに影響を与えずに改善したり、同じパブリックインターフェイスをサポートする別のコンポーネントに置き換えたりすることができます。カプセル化は、ユーザーがコンポーネントの内部データを無効または矛盾した状態に設定できないようにすることで、コンポーネントの整合性も保護します。カプセル化のもう1つの利点は、ソフトウェアコンポーネント間の相互依存性を制限することで、システムの複雑さを軽減し、堅牢性を高めることです。^[2]

この意味では、カプセル化の考え方は、オブジェクト指向プログラミングで適用される方法よりも一般的です。たとえば、リレーショナルデータベースは、唯一の公開インターフェイスがクエリ言語( SQLなど) であり、データベース管理システムのすべての内部機構とデータ構造が隠されているという意味でカプセル化されています。このように、カプセル化は、粒度のあらゆるレベルにおいて、優れたソフトウェアアーキテクチャの中核となる原則です。

ソフトウェアをインターフェイスの背後にカプセル化することで、現実世界のオブジェクトの動作や相互作用を模倣したオブジェクトを構築できます。たとえば、シンプルなデジタル目覚まし時計は、素人 (非専門家) が使用して理解できる現実世界のオブジェクトです。目覚まし時計の機能と使用方法は、時計の内部のあらゆる部分を理解しなくても、提供されているインターフェイス (ボタンと画面) を通じて理解できます。同様に、時計が別のモデルに置き換えられた場合でも、インターフェイスが同じように機能する限り、素人は時計を同じように使い続けることができます。

オブジェクト指向プログラミング言語のより具体的な設定では、この概念は、情報隠蔽メカニズム、バンドルメカニズム、またはこれら 2 つの組み合わせのいずれかを意味するために使用されます。(詳細については、「カプセル化 (オブジェクト指向プログラミング)」を参照してください。)

歴史

情報隠蔽の概念は、1972年にデイビッド・パルナスによって初めて説明されました。 ^[3]^[4]それ以前には、モジュール性はリチャード・ゴーティエとスティーブン・ポントが1970年の著書「Designing Systems Programs」で論じていましたが、モジュールプログラミング自体は、それ以前にも多くの商用サイトで、特にI/O サブシステムやソフトウェアライブラリで、「情報隠蔽」というタグは付けられずに、同様の理由と、より明白なコード再利用の理由で使用されていました。^{[説明が必要]}

例

情報の隠蔽は、あらゆる機器、ソフトウェア、ハードウェアを機能のモジュールに分割するための効果的な基準として機能します。たとえば、自動車は複雑な機器です。自動車の設計、製造、メンテナンスを合理的にするために、複雑な機器は、設計上の決定を隠す特定のインターフェイスを持つモジュールに分割されます。このように自動車を設計することで、自動車メーカーは、経済的な製造コストを維持しながら、さまざまなオプションを提供することもできます。

たとえば、自動車メーカーは、標準バージョンの他に高級バージョンの自動車を製造しているとします。高級バージョンには、標準バージョンよりも強力なエンジンが搭載されています。2 つの異なる自動車エンジン (1 つは高級バージョン用、もう 1 つは標準バージョン用) を設計するエンジニアは、両方のエンジンに同じインターフェイスを提供します。両方のエンジンは、両方のバージョンで同じ自動車のエンジンベイに収まります。両方のエンジンには、同じトランスミッション、同じエンジンマウント、同じコントロールが取り付けられます。エンジンの違いは、より強力な高級バージョンのほうが排気量が大きく、より大きな排気量のエンジンに必要な燃料と空気の混合気を提供するようにプログラムされた燃料噴射システムを備えていることです。

高級バージョンでは、よりパワフルなエンジンに加えて、CD プレーヤー付きのより高性能なラジオ、より快適なシート、幅広のタイヤを備えたより高性能なサスペンションシステム、異なる塗装色などのオプションも提供される場合があります。これらすべての変更により、標準バージョンと高級バージョンでは、車の大部分は同じです。CD プレーヤー付きのラジオは、高級モデルの標準ラジオ (これもモジュール) に代わるモジュールです。より快適なシートは、標準タイプのシートと同じシートマウントに取り付けられます。シートが革製かプラスチック製か、またはランバーサポートがあるかどうかは関係ありません。

エンジニアは、タスクをチームに割り当てられた作業に分割して車を設計します。各チームは、特定の標準またはインターフェイスに従ってコンポーネントを設計します。これにより、チームはコンポーネントの設計に柔軟性を持つと同時に、すべてのコンポーネントが互いに適合することを保証します。

自動車メーカーは、コスト管理の一環として、複数の異なるモデルに同じコア構造を使用することがよくあります。このような「プラットフォーム」は、セダンで使用されるのかハッチバックで使用されるのかを知らなくてもフロアプランを構築できるため、情報の隠蔽の例でもあります。

この例からわかるように、情報隠蔽は柔軟性をもたらします。この柔軟性により、プログラマーは、通常の進化の過程で、ユーザーのニーズに合わせてコンピュータプログラムが変更されるときに、コンピュータプログラムの機能を変更できます。コンピュータプログラムが適切に設計され、情報隠蔽の原則を使用してソースコードソリューションをモジュールに分解すると、変更は通常、グローバルな変更ではなくローカルな変更であるため、進化的な変更ははるかに簡単になります。

車は、ドライバーとのインターフェースの仕方でもこの例を示しています。車には、人々が訓練され、免許を取得するための標準インターフェース (ペダル、ホイール、シフター、信号、ゲージなど) があります。したがって、人々は車の運転方法を学ぶだけでよく、新しいモデルを運転するたびにまったく異なる運転方法を学ぶ必要はありません。(確かに、マニュアルとオートマチックのトランスミッションなどの違いはありますが、全体として、車は統一されたインターフェースを維持しています。)

参照

注記

^ Rogers, Wm. Paul (2001 年 5 月 18 日). 「カプセル化は情報の隠蔽ではない」. JavaWorld . 2020 年 7 月 20 日閲覧。
^ ab Booch, Grady (2007).オブジェクト指向分析と設計のアプリケーション. Addison-Wesley. pp. 51–52. ISBN 978-0-201-89551-3。
^ Parnas, David L. (1972). 「システムをモジュールに分解する際に使用する基準について」Communications of the ACM . 15 (12): 1053–58. doi : 10.1145/361598.361623 . S2CID 53856438.
^ Scott, Michael L. (2009) [2000]. Broy, Manfred; Denert, Ernst (編). プログラミング言語語用論 (第3版). Morgan Kaufmann Publishers. p. 173. doi :10.1007/978-3-642-59412-0. ISBN 978-3-540-43081-0. S2CID 2698265。

参考文献

Parnas, David L. (1971)。「情報配布の設計方法論の側面」(PDF)。Charles V. Freiman、John E. Griffith、Jack L. Rosenfeld (編)。情報処理、1971 年 IFIP 会議議事録、第 1 巻 - 基礎とシステム、リュブリャナ、ユーゴスラビア、1971 年 8 月 23 ～ 28 日。IFIP 会議 1971。第 1 巻。北ホラント。pp. 339 ～ 344。doi :10.1184/ R1 /6606470.V1。
Parnas, David L. (2002)。「情報隠蔽の秘密の歴史」。Manfred Broy および Ernst Denert (編) 。ソフトウェアパイオニア。Springer-Verlag Berlin Heidelberg。ISBN 978-0-12-374514-9。

[not_encaps-1] Rogers, Wm. Paul (2001 年 5 月 18 日). 「カプセル化は情報の隠蔽ではない」. JavaWorld . 2020 年 7 月 20 日閲覧。

[Booch-2] Booch, Grady (2007).オブジェクト指向分析と設計のアプリケーション. Addison-Wesley. pp. 51–52. ISBN 978-0-201-89551-3。

[3] Parnas, David L. (1972). 「システムをモジュールに分解する際に使用する基準について」Communications of the ACM . 15 (12): 1053–58. doi : 10.1145/361598.361623 . S2CID 53856438.

[4] Scott, Michael L. (2009) [2000]. Broy, Manfred; Denert, Ernst (編). プログラミング言語語用論 (第3版). Morgan Kaufmann Publishers. p. 173. doi :10.1007/978-3-642-59412-0. ISBN 978-3-540-43081-0. S2CID 2698265。