2023-01-20

命令型プログラミング

命令型プログラミングとは

命令型プログラミングは、コンピュータにステップバイステップで何を行うかを指示するために命令を使用するプログラミングパラダイムです。プログラムがどのように動作するかを記述することに重点を置いています。このパラダイムは、各行のコードが材料やプロセスを指定するレシピに似ています。コンピュータはこれらの命令を読み取り、同じ順序で実行して、望ましい結果を生成します。

命令型プログラミングの主要な概念

変数
命令型プログラミングの基本的な概念の1つは変数です。変数は、開発者がデータを格納、変更、取得するためのメモリ位置の象徴的な名前です。変数は名前と型（整数、浮動小数点数、文字列、ブール値など）で宣言されます。変数は、プログラム内で変更できるデータを表すために使用されます。
データ型
命令型言語では、変数と式の型がコンパイル時にすでに判明していることが多いです。もっとも一般的なデータ型には、整数、浮動小数点数、ブール値（trueまたはfalse）、文字、文字列などがあります。各データ型は異なるメモリ量を必要とし、それに対して実行できる特定の操作があります。
制御構造
制御構造は、プログラム内の文の実行順序を指示します。命令型プログラミングには、順次、選択、繰り返しの3つの制御構造があります。順次はデフォルトの制御構造であり、文は出現する順序に従って1行ずつ実行されます。選択と繰り返しの構造は、それぞれ条件と反復に基づいてフローを変更します。
手続きと関数
命令型プログラミングの文脈では、手続きと関数は特定のタスクを実行するサブルーチンです。手続きは値を返さずに操作を実行し、関数は操作の後に値を返します。これらはコードのモジュール化と再利用を可能にします。

制御構造

順次制御
順次制御は制御構造の中でもっともシンプルな形です。文は書かれた順序通りに1つずつ実行されます。明示的に指定しない限り、全てのプログラムはこの制御構造に従って実行されます。
選択制御：if-else文、switch文
選択構造は、特定の条件に基づいてプログラムが異なる実行パスを選択することを可能にします。if-else構造は、指定された条件が真の場合は1つのコードブロックを実行し、偽の場合は別のコードブロックを実行します。switch文では、変数が値のリストと等しいかどうかをテストし、それぞれに対応する異なるコードブロックを実行します。
繰り返し制御：forループ、whileループ、do-whileループ
繰り返し制御構造は、コードブロックの繰り返し実行を容易にします。forループは、繰り返しの回数が事前にわかっている場合に一般的に使用されます。whileループは、繰り返しの回数が不明であるが特定の条件が成立している場合に使用されます。do-whileループはwhileループに似ていますが、条件はループが実行された後にチェックされるため、ループブロックが少なくとも1回実行されることが保証されます。

命令型プログラミングにおける手続きと関数

手続きは、いくつかの言語ではサブルーチンやメソッドとも呼ばれ、特定のタスクを実行するために設計されたコードブロックです。手続きは、プログラムの他の部分から呼び出すことができる単一のユニットに一連の文をカプセル化します。手続きは実行後に値を返しません。コードを手続きに構造化することで、プログラムはモジュール化が向上し、読みやすくなり、デバッグやメンテナンスが容易になります。

関数は手続きと同様に文のシーケンスをカプセル化します。ただし、手続きとは異なり、関数は実行後に値を返します。関数はプログラミングにおける抽象化の概念の中心であり、複雑な操作を簡単な関数呼び出しの背後に隠すことができます。また、同じ関数をプログラム全体で複数回使用することで、コードの再利用性も向上させることができます。

手続きと関数の違い

手続きと関数の主な違いは、関数が値を返すこと、手続きが返さないことです。これは、関数が手続きではできないような式の中で使用できるということを意味します。例えば、多くのプログラミング言語では、sqrtという関数が数値の平方根を返すというようなコードを書くことができます。手続きでは同様の構造は有効ではありません。

命令型プログラミングにおける状態と状態遷移

命令型プログラミングでは、プログラムの状態は特定の時点での全ての変数の値の集合です。つまり、変数が作成、破棄、または変更されるとプログラムの状態も変化します。

状態遷移とその重要性

状態遷移は、プログラムの状態の変化を指します。これは代入、関数呼び出し、ユーザーの入力などのアクションやイベントによって発生します。これらの遷移は命令型プログラムの「核」となり、プログラムが作業を行うことを表します。

状態遷移の例

単一の変数xを持つ簡単なプログラムを考えてみます。もしxが0から始まり、文x = x + 1を実行すると、プログラムは状態遷移を経験します。xは0から1に変化します。状態遷移はより大きなプログラムでは複雑になることもあり、多くの変数の変更や変数の作成・破棄などを含むことがあります。これらの遷行は、文の順次実行によって生じるものであり、命令型プログラミングパラダイムの中心です。

命令型プログラミング言語

命令型プログラミングは、C、Java、Pythonなど、現代の多くの人気プログラミング言語の基盤となっています。これらの言語はシステムハードウェアを直接制御することができるため、システムレベルやアプリケーション開発において強力なツールとなっています。