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香川研究室について
ロングバージョン

香川考司

教員紹介

香川考司（かがわこうじ）
香川大学創造工学部情報コース
専門分野
プログラミング言語（コンパイラー・ツール・ライブラリー）
プログラミング学習支援システム
担当授業
『プログラミング』『オブジェクト指向言語』
『プログラミング言語論』（大学院）など

例えると…

コンピューター　　 ➡ 魔法のツエ
プログラム　　　　 ➡ 呪文
プログラミング　　 ➡ 呪文を組み立てること
プログラミング言語 ➡ 呪文体系
コンパイラー　　　 ➡ 呪文を解釈する呪文
ライブラリー　　　 ➡ 呪文の部品集・魔導書^?
学習支援システム　 ➡ 魔法使いの弟子養成システム

少し、難しいことばが出てきましたが、たとえで説明してみます。コンピューターはいわば魔法のツエ、あるいはランプです。そうすると、プログラムは魔法の呪文ということになります。ただし、映画やゲームで出てくる魔法の呪文はふつう短いですが、あとで説明するように、プログラムはとてもとても長いものになります。プログラミングは呪文を組み立てることであり、プログラミング言語は呪文体系です。物語やゲームによって呪文が異なるように、さまざまなプログラミング言語が存在します。コンパイラーは、プログラムを解釈するためのプログラムです。つまり、呪文を解釈する呪文です。ライブラリーというのは、呪文をを組み立てるための部品集です。いわば、まどうしょ、です。学習支援システムというのは、魔法使いの見習いがいちにんまえの魔法使いになるのを支援するものです。

コンピューターの仕組み

主に、計算する部分（CPU）と、記憶する部分（メモリー）からなる

CPUは、+−×÷ や <>= などの計算をする
- 単純な計算だが一秒に何十億回も実行する
メモリーは、いわば巨大なそろばんである
- 億や兆を超えるケタを持つ

ここでまずは簡単にコンピューターの仕組みを説明します。コンピューターは主に、計算する部分と記憶する部分からなります。計算する部分はCPU、記憶する部分はメモリーと呼ばれます。 CPU はたしざん、かけざんや大小判定など、ひとつひとつは単純な計算を実行します。しかし、ひじょうに高速で、一秒に何十億回も計算をします。メモリーは巨大なそろばんのようなものです。しかしひじょうに巨大で億や兆を超えるケタを持ちます。億や兆を表せる桁数ではなくて、桁数が億や兆です。全然違うので気を付けてください。一兆を表すには桁数は 13 しか必要ありません。

プログラム

CPU に与える手順・指示のまとまりである

CPU が理解できる指示は『機械語』という
プログラムはメモリーに記録されている
（フォン＝ノイマン方式）

機械語

メモリーの数ケタ分を一まとまりとみなす
(すごろく🎲の“マス”みたいなもの)
CPU は各マスの指示を順々に実行する
一つ一つの指示はとても単純である。例えば…
- メモリーのあるケタに別のケタの数を足す（引く）
- 直前の式が成り立つなら指定分マスを進む（戻る）
など

機械語のプログラムは、ある意味、すごろくの指示に似ています。メモリーのある大きさのケタ数を一つのマス、あるいは単語とみなします。各マスに書かれている数が指示に対応します。 CPU は各マスに書かれている指示を、前から順に実行します。先ほど説明したように、一つ一つの指示は、ひじょうに単純なものです。たとえば、メモリーのある場所の数を別の場所にコピーする、メモリーのある場所に別の場所の数を足したり、引いたりする、直前の計算結果がゼロならば指定分のマスを進んだり、戻ったりする、などです。

プログラムの組立て

プログラムの組立ての基本は順次・反復・分岐の 3 つである。これだけあれば“何でも”できる

順次 ⋯ いくつかの処理を、順に一つずつ実行していく
反復 ⋯ 同じ処理をくり返す
分岐 ⋯ 条件が成り立つかどうかによって、処理を選ぶ

プログラミング言語

機械語で大きなプログラムを作るのは難しい。
そこで…

人にわかりやすい体系（プログラミング言語）でプログラムを作って機械語に翻訳する
指示のまとまりを部品化することで、さらに複雑な指示を組み立てられる

部品化の考え方の違いによって、たくさんの種類のプログラミング言語がある

しかし、実際には機械語で大きなプログラムを作ることはひじょうに難しいことです。そこで、より人間にわかりやすい言語でプログラムを作成して、それを機械語に翻訳する、という手法が取られます。この人間にわかりやすい言語をプログラミング言語と言います。機械語と区別する場合は、高級言語とも言います。指示のまとまりを部品化することで、より複雑なプログラムを組み立てていくことができるようになります。この部品化の考え方の違いによって、多くのプログラミング言語があります。

ポイント

コンピューターは、一つ一つは単純な指示を、何億回・何兆回⋯でも疲れずくりかえす

たくさん覚えて忘れない、速くて間違えない、
『常識』は持ち合わせていない。つまり人間が指示を間違えると、間違ったまま実行する
プログラムはとても長い
プログラミング言語を使って、うまく部品化することで、大規模・複雑なプログラムを組み立てることができる

ここまでのポイントをまとめます。コンピューターは、一つ一つは単純な計算の指示を、ひじょうに高速に実行する機械です。たくさんの数を記憶することができ、決して疲れないし、忘れない、間違いないし、速いです。しかし常識、というものは持ち合わせていません。プログラムで指示された通りに計算を実行します。つまり、指示が間違っていると、間違ったまま実行します。大きなプログラムをつくるためには、プログラミング言語を使って部品をつくり、部品をうまく再利用しなければいけません。

さまざまなプログラミング言語

Fortran, C, C++, Java, C#, Haskell, Scala, Scheme, Prolog, miniKanren, Perl, PHP, Ruby, Python, JavaScript, Clojure, Kotlin, Go, Swift, Rust, …

パラダイムによる分類
命令型、オブジェクト指向、関数型、論理型
型付けによる分類
静的型検査、動的型検査、他

Pieter Bruegel the Elder - The Tower of Babel (Vienna) - Google Art Project - edited

言語によって得意分野が異なる

現在では、フォートラン, C, C plus plus, Java, C シャープ, ハスケル, スカラ, スキーム, Prolog, ミニカンレン, Perl, PHP, ルビー, パイソン, JavaScript, クロージャー, コトリン, ゴー, スイフト, ラスト、などなど多くのプログラミング言語があります。これらの分類方法もいろいろあり、パラダイムによる分類、型による分類、などがあります。言語によって得意分野が異なり、複数の言語を使い分ける必要があります。まさにバベルの塔のような状態です。ただし、ひとりの人がいくつかのプログラミング言語を使いこなすのが普通です。

香川研究室の研究テーマ

プログラミング言語（ツール・ライブラリー）
大規模で複雑なプログラムを、部品化することで効率よく作り、しかもプログラムの間違いを起こりにくくすることを目指す
プログラミング学習支援システム
初心者が、楽しく、効率よく、プログラミングを学習できることを目指す

今後のプログラミング言語はどうなる？

組み立ての基本の理解の必要性は変わらない
- 日本語や英語などの自然言語よりも圧倒的に簡潔に書ける
部品化はますます大事になる
- AI が作成したプログラムを読解する必要がある
- ボイラープレート（何度も繰り返されるお決まりの部分）は少ないほど良い
検証や証明が当り前になる
- プログラムの細部を理解しなくても正しさが保証される、例えば
  - どんな順番・タイミングでイベントが起きても、正常に反応する
  - 前のバージョンより性能が圧倒的に良いが、実行結果は変わらない
  のような証明が一般的になる
ここで、今後のプログラミング言語に対する個人的な意見を述べます。まず、基本的なプログラミングの組立て、つまり、条件分岐や繰返しを理解する必要性は、人工知能がプログラミングしてくれる時代になっても変わらないでしょう。既にあるものではない、何か新しいものをつくるとき、日本語や英語で指示するよりも、プログラミング言語を使うほうが、圧倒的に効率的です。また、プログラミング言語の部品化の重要性はますます増します。人工知能が作成したプログラムを確認したり、手直ししたりするときに、プログラムが何度も繰り返される長ったらしい部分でいっぱいだと、それを読むのも、理解するのも、手直しするのも大変になります。さらに、プログラムの正しさを検証したり、証明したりすることが当たり前になるでしょう。プログラムの細部を理解しなくても、正しさが保証されるようになるでしょう。例えば、どんな順番・タイミングでイベントが起きても、正常に反応することが保証されるようになるでしょう。また、プログラムを書き換えたときに、前のバージョンより性能が圧倒的に良いが、実行結果は変わらない、ということも証明されるようになるでしょう。

やってみよう

香川研究室の展示「お絵かきプログラミング」では、ここまでで説明した、順次・反復・分岐を使って、コンピューターに規則正しい絵を描かせる体験をします。

Processing という言語を参考にして、お絵かき用の機能を部品化しました。

サンプル (1)

やってみる

サンプル (2)