強力なモジュール式プログラミング能力。

著者: 禅とコンピュータープログラミングの芸術

1 はじめに

モジュラープログラミングの概念は、高レベルプログラミング言語 (Java、C++ など) のコードカプセル化メカニズムに由来します。開発者のオブジェクト指向プログラミングにおける継承とポリモーフィズムのメカニズムもモジュール型プログラミングのカテゴリに属しますが、完全に同等ではありません。関心の分離、つまり機能コンポーネント間の結合に重点が置かれています。したがって、モジュール型プログラミングの考え方をある程度サポートします。では、モジュール型プログラミングとは何でしょうか? 簡単に言うと、複雑なシステムを複数のサブシステムに分割し、各サブシステムが 1 つの機能のみを実装するか、1 つのサービスを提供することで、コードのモジュール化の目的を達成します。モジュール式プログラミングはコードの再利用を改善し、ソフトウェアの複雑さと保守性を軽減しますが、名前空間の競合、テストの困難、スケーラビリティの低さなど、一連の問題も引き起こします。これらの問題を解決するために、プログラミング言語は、パッケージ、名前空間、インターフェイス、抽象クラスなど、特定のレベルでモジュール化されたプログラミング関連のメカニズムを提供します。この記事では、実際のエンジニアリングアプリケーションにおけるモジュラープログラミングのベストプラクティスと原則について説明します。

2.基本的な概念と用語

2.1 モジュール式プログラミング

モジュールプログラミングとは、複雑なシステムをモジュールと呼ばれる異なる独立したサブシステムに分割し、それぞれの責任に従って各モジュールを分割することを指します。各モジュールは、高い凝集性と独立性を持って、独立して開発、テスト、コンパイル、デプロイできます。モジュール型プログラミングで使用されるテクノロジーには、パッケージ、名前空間、インターフェイス、抽象クラスなどが含まれます。実際のプログラミングでは、モジュール化は主に次の側面に反映されます。

下請け: 機能、階層、または組織形態に従ってコードを分類、グループ化し、分類すること。下請けに依頼すると、名前の競合や名前空間の汚染を効果的に回避できます。
名前空間を使用する: 異なるモジュール間で名前が競合しないように、名前空間を通じてグローバルに一意な識別子を管理します。
統一されたインターフェイスを提供する: モジュール間のインターフェイスを定義します。モジュールのユーザーは、モジュールが提供するインターフェイスを知るだけで、モジュールの関数を簡単に呼び出すことができます。
抽象基本クラス/テンプレートクラス: モジュール間でコードを再利用するために使用されます。抽象基本クラス/テンプレートクラスは、モジュール内の複雑なロジックとデータ構造を隠すことができるカプセル化と再利用の形式を提供します。
関数型プログラミング: 関数型プログラミングの考え方では、個々の関数を関数としてカプセル化し、組み合わせを使用して複雑な関数を構築することが推奨されます。関数型プログラミングを使用すると、コードの理解とデバッグが容易になります。

2.2 名前空間

ネームスペースは C++ の重要な機能であり、その機能は、シンボルの競合を避けるために、異なるスコープで同じ名前の変数と関数を定義することです。名前空間を使用すると、異なる名前空間にある同じ名前を持つエンティティ間の名前の競合を防ぐことができるため、プログラムの包括的な管理が実現します。通常、名前空間はキーワード「namespace」とその後に名前空間の名前を付けて宣言され、名前空間の範囲内で使用される名前が宣言されます。例えば：

namespace A {
    int x = 1;
    void foo() {}

    namespace B {
        double y = 2.5;
        bool bar() { return true; }
    } 
}

ここで、2 つの名前空間 A と B は、それぞれ変数 x と double 変数 y 、および 2 つの関数 foo と bar を定義していますが、2 つの名前空間は同じ名前を持っているため、名前の競合は発生しません。名前空間 A の変数 x を参照したいとします。そうしA::xないとエラーが発生します。

2.3 パッケージ

Java または Python では、パッケージを通じてモジュール型プログラミングを実装できます。パッケージは、Java クラス、インターフェース、列挙、および注釈を整理するために使用されるフォルダーのコレクションです。Java では、「.」を使用してパッケージの下のサブリソースにアクセスできます。たとえば、Test.java クラスを含む com.company.package1 という名前のパッケージがある場合、このクラスのフルパスを記述することができます。としてcom.company.package1.Test。さらに、import ステートメントを使用して、パッケージの完全修飾名を明示的に指定せずに、必要なパッケージをインポートすることもできます。以下の例:

// import statement
import com.company.package1.*;

public class MainClass {

    public static void main(String[] args) {

        // access package resource by dot notation
        Test t = new Test();
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

2.4 抽象クラス/テンプレートクラス

抽象クラスは抽象メソッドを持つクラスであり、その具体的な実装はサブクラスによって完成されます。抽象クラスは通常、親クラスのメソッドを実装するために使用され、サブクラスが親クラスの機能を継承し、独自の機能も実装できるようにします。テンプレートクラスは、実行時に特定のデータ型を決定できるパラメーター化された型 (Parameterized Type) を持つクラスです。テンプレートクラスの目的は、コードの再利用を実現することです。これにより、コードの冗長性が排除され、コードの量が削減されます。

2.5 インターフェース

インターフェイスは、モジュール式システムを定義するために使用されるプロトコルです。インターフェイスはモジュールの機能とプロパティを指定しますが、具体的な実装の詳細は提供しません。インターフェイスはモジュールによって提供されるサービスを定義し、他のモジュールはモジュールの内部動作を知らなくてもインターフェイスに依存してモジュールを使用できます。インターフェースの目的は、抽象化層を確立し、モジュール間の結合関係を分離し、それによってモジュールの独立性、柔軟性、移植性を実現することです。インターフェイスは、クラス、関数、およびテンプレートクラスによって実装できます。インターフェイスは、メソッドシグネチャのセット、および各メソッドの例外条件と戻り値を定義します。例えば：

class Person {
    virtual string getName() const throw (IOException);
    virtual void setName(string name) throw (IOException);
    virtual int getAge() const throw (IOException);
    virtual void setAge(int age) throw (IOException);
};

3. コアアルゴリズムの原則と具体的な操作手順

3.1 CRCカードの仕分け方法

CRC カードを使用したカード分類は、人々の組織的なビジネスプロセスを分析するための迅速かつ効果的な方法です。その基本的な考え方は、まずビジネスプロセスをいくつかのステップまたはタスクに分割し、次に既存の情報と経験に基づいて CRC カードを作成することです。CRC カードは、ステップまたはタスクの名前、関連する入力、出力、処理時間、優先度、重み、クリティカルパスマーキングなどが記載された 1 枚のホワイトペーパーです。全員のビジネスプロセスをスキャンし、CRC カードに基づいて並べ替えることで、チームは重複したプロセスや不要なリンクをすばやく見つけてビジネスプロセスを最適化できます。

3.2 再構築モード

パターンのリファクタリングとは、ソフトウェア設計の継続的な反映、改善、反復のプロセスを指し、含まれる主なアクティビティには、パターンの特定と特定、パターンの作成、パターンの適用、パターンの評価、パターンの進化が含まれます。リファクタリングパターンは、アプリケーションアーキテクチャの継続的なレビューと再設計の観点から始まり、アプリケーションの適応性、保守性、拡張性、再利用性を確保することを目的としています。

3.3 モジュール間の通信方法

モジュール間の通信方式には、リモートプロシージャコール (RPC)、メッセージパッシング (Message Passing)、共有メモリ (Shared Memory)、イベントベース (Event-Based)、パイプライン (Pipeline) などが含まれます。以下は、より一般的なモジュール間通信方法の長所と短所の分析です。

3.3.1 RPC(リモートプロシージャコール)

リモートプロシージャコール (RPC) は、分散コンピューティングで一般的に使用される通信モデルです。これは、クライアントがリモートサーバーをローカルに呼び出すプロセスであり、クライアントはローカル関数を呼び出すのと同じように、基礎となるネットワーク通信の複雑さをシールドできるため、ローカル関数を呼び出すのと同じくらい簡単にリモートサーバーを呼び出すことができます。RPC は自動サービス検出を実現し、クライアントが任意のサーバー上のサービスを呼び出すことができるようにします。

アドバンテージ：

サービス間の疎結合。
非同期呼び出しをサポートします。

欠点:

ネットワーク伝送が必要となり、遅延が増加します。
実装は複雑であり、フレームワークのサポートが必要です。

3.3.2 メッセージパッシング

メッセージパッシングは、もう 1 つの一般的なモジュール間通信モデルであり、モジュールがモジュール間でメッセージを直接送信できるようにします。メッセージングの非同期の性質は、メッセージの送信と受信を同時に行う必要がないことを意味します。メッセージングはサブスクリプション/パブリッシュモードをサポートしており、複数のモジュールがいつでも同じ種類のメッセージをリッスンしてメッセージに応答できるようになります。

アドバンテージ：

より柔軟なメッセージ駆動型モデルでは、さまざまなモジュールを分離できます。
モジュール間の同期は必要なく、柔軟な拡張がサポートされています。

欠点:

データの一貫性を考慮する必要があります。
実装は複雑であり、通信フレームワークのサポートが必要です。

3.3.3 共有メモリ

共有メモリはモジュール間の最も古い通信方式で、プロセス間の仮想アドレス空間を使用してメモリ領域とデータを共有します。共有メモリはモジュール間の最も高速な通信方法であり、データをメモリ内で直接読み書きするため、非常に高速です。

アドバンテージ：

高効率な共有メモリにより、2 台のマシン間のデータ交換を実現できます。

欠点:

セキュリティが弱く、リモートプロシージャコールのような認証ができません。
データの一貫性が弱い。

3.3.4 イベントベース

イベントベースとは、モジュール間の非同期通信モデルを指し、イベント駆動型プログラミングを使用して、イベントの発生時に各モジュールに通信するよう通知します。イベントベースの通信モデルはイベント駆動型のモデルであり、より優れたパフォーマンスを実現できます。

アドバンテージ：

モジュール間の通信はより柔軟かつ動的になります。
同期の問題を考慮する必要がないため、システムの同時実行性が向上します。

欠点:

実装は複雑であり、イベントフレームワークのサポートが必要です。

3.3.5 パイプライン

パイプラインはモジュール間のパイプライン通信モデルであり、パイプライン方式でデータを送信し、各モジュールがデータを並列処理できるようにします。パイプラインモデルは並列処理の特徴があり、データ処理速度が向上します。

アドバンテージ：

高度な並列処理により、システムのスループットが向上します。
大量のデータの処理に適しています。

欠点:

データ通信方式が一般的であり、緻密な制御が実現できない。
複雑さが増し、デバッグとメンテナンスが難しくなります。