デザインパターンの形式化とコード生成支援

日本ソフトウェア科学会第回大会（年度）論文集
デザインパターンの形式化とコード生成支援
佐藤大輔 Ý
Ý
公立はこだて未来大学大学院システム情報科学研究科
!"#!
伊藤恵 Þ
" Þ
公立はこだて未来大学
!"#!
近年のソフトウェアはあらゆる分野で重要な役割を担っておりその需要も今後ますます拡大することは間違
いない．それにつれ開発期間の短縮や効率の改善コストの削減などソフトウェア開発の現場に対する要
求もますます厳しくなっているソフトウェアパターンとはソフトウェア開発の各局面で繰り返し現れる
問題に対する解法・指針であるその中でもデザインパターンはプログラム・クラス設計の工程で優れた
設計を導出する課程をパターン化したものであり開発者の大きな手助けとなり得る．本研究ではまず非
形式的に与えられているのデザインパターンを形式化することにより電子カタログ化や機械的処理を
容易にする意味的構造を表現できる構造化記述形式の枠組みを設計する．次いでプログラムのコーディン
グを行う際にデザインパターンをより容易に扱えるようコード生成の機能を持ったツールを開発し利用
者を支援する仕組みを提案する．
のデザインパターン½ では，パターンの構造を
表現するためのモデル，振る舞いを示すための疑似
ソフトウェアパターンは$ ソフトウェア開発の各プ
コードなどが平文による説明を付加して用いられて
ロセスにおいて繰り返し現れる問題に対する解法・指
いる．これは，開発者自身が文書を読み解き，パター
針である．ソフトウェアパターンを活用した場合の
ンの意味的な構造を理解し，パターンを選択，適用
効果として，以下の % 点が挙げられる．
する際の助けとなる．開発者はパターンの持つ性質，
構造とその構成要素間の協調動作を学び，この構造
& 思考過程と成果を再利用できる．
とその構成要素間の協調動作を実現する関係を壊さ
& 意志疎通を促進できる．
ないように，開発環境に合った具体化を行う *図 +．
はじめに
%& 優れたソフトウェアの解読を促進できる．
開発規模が増大し，使用するパターンの数や具体
これらの利点から，オブジェクト指向技術が多用さ
化される箇所が増える場合，開発者がそれらのすべ
れるようになるにつれ，ソフトウェアパターンは非
てを考慮し，設計，把握，管理することは困難にな
常に重要な存在となっている．
る．その結果，パターンの意味的構造を破壊し，先
プログラム・クラス設計段階に用いるソフトウェ
アパターンの一つとして，のデザインパターン
に挙げた % 点の効果が得られなくなる．
本研究では，パターンの持つ意味的構造を破壊す
'( がある．これは )) らが，オブジェクト指向ることなく，且つ，開発者がパターンを使用する際
ソフトウェアの構造や機能について，典型的に現れの負担を軽減することを目標に，デザインパターン
る特徴的な類型を抽出して解析し，% 個のパターンの ,-. による形式化を行い，パターンリポジトリ
½ 以下，単に「パターン」と表記する場合，これを指す．
として非形式的な文書でカタログ化したものである．
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いう観点では記述法の見直しが必要である．
パターンリポジトリ
また '( では，デザインパターンを 23 言語
パターン定義
を用いて形式化を行い，ツールを用いてパターンの
選択
モデルを提示することで，開発者がパターンを使用
する際の負担を軽減する手法を提案している．形式
化の方法については，構造をよく表現しているため，
変更可能箇所
具体化
コード生成についても有用かと考えられるが，'( で
の目標は，パターンが使用時において複数の組み合
わされた状態であっても，これをモデルとして視覚
化し，開発者に注意を促すことにあり，コード生成
までの支援は目指しておらず，形式も 23 言語での
図 / デザインパターンを用いた開発の流れ
として蓄積する．さらに，パターンリポジトリより，
使用するパターンを選択しソースコードの枠組みを
与え，開発者を支援する仕組みを提案する．本シス
テムの概要を図に示す．
ソースコード
変換機構
参照
デザインパターンの利用は，元々は建築設計の分
野で提唱された手法であり，経験的に得られた繰り
返し現れる重要且つ有用な設計を，それぞれ体系的
る部分があると言われるが，デザインパターンもソ
ソースコード
Java
フトウェア工学に取り入れられ，ソフトウェアの設
計におけるノウハウや，システムの構造を部品とし
ソースコード
C++
形式化
デザインパターン
フトウェア工学はしばしば建築工学などとも類似す
C#
のデザインパターン
(23種類)
に名前付けし，説明を加え，評価したものである．ソ
ソースコード
GoF
記述の為，使用可能な環境が限られてしまう．
パターン
閲覧機構
パターンの内容を参照可能
モデル化機構
パターンを図化して参照可能
て再利用するのを促進するものとして注目されてい
る．デザインパターンは基本的に以下の 4 種類の記
述から構成される．
XML
(リポジトリ)
図 / 本研究で提案するシステムの概要
& パターン名
& 問題・
・
・どのような場合にパターンを適用すべ
きか
%& 解法・
・
・設計の要素，それらの関連および責任，
協調関係
関連研究
4& 結果・
・
・パターンを適用する際の結果やトレー
のデザインパターンに形式的な記述を与え，
ドオフ
検索・閲覧を容易にする試みとして大月らによる '%(
がある．'%( では，'( に示されたそれぞれのパターンデザインパターンをカタログ文書としてまとめた著
の内容を，-. を用いて形式化を行い，01 ブラ名な文献 '( では，これらの 4 項目をさらに細かく分
ウザにてパターンの検索を可能にし，構造や用途を類し，以下のような構成をとっている．
使用者に表示する仕組みを提案している．大月らは
& 名称 )
'%( のほか，ソフトウェアの共同開発支援を目指して，
別名 ! "565 !
オブジェクト指向ソフトウェア部品の統合的且つ分
散的なリポジトリの構築を研究しており，本稿で提
& 目的 55
案する方式を研究するにあたり参考になる点が多い．
動機 -35
しかし，構造の記述においては，ほぼ '( に示された
形のまま -. 化しているため，コード生成支援と
適用可能性 !7718
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名称
別名
目的
動機
適用可能性
構造
構成要素
協調関係
実装
サンプルコード
結果
使用例
関連パターン
%& 構造構成要素 975
協調関係 :15
実装 57)55
サンプルコード )7 :
4& 結果 :5;5
その他使用例，関連パターン
%
<pattern>のname属性
<pattern>のalias属性
<intent>
<motivation>
<applicability>
<structure>
<implementation>
<sample_code>
<consequence>
<known_uses>
<related_patterns>
図 %/ タグの定義
これらは平文での説明がなされており，構造や振る
舞いを表す #- 図¾ や疑似コードも使われている．
本研究での記述の書式も基本的にこれを踏襲する．
によるパターン記述形式
の利点
本研究ではパターンに形式的な記述を与える言語
として ,-. を用いる．,-. は文書中の文字列に意
味付けができるデータ構造の表現が可能な言語とし
て，近年広い分野で使われており，,-. で記述され
たデータの汎用性や互換性といった面からも，パター
ンを定義するのに最適であると考えた．
,-. ではデータの要素をタグで囲み，文書を構造
化する．各タグは属性を持つことができ，これによ
り様々な意味構造を表現することが可能である．
,-. データとして記述する枠組みが決まっていれ
ば，定義したいパターンが増えた場合も記述形式に
則って新たなパターン定義をリポジトリに蓄積する
ことで，パターンの利用は容易になる．
ため，コード生成に必要な構造記述以外の平文によ
る説明は，'( の記述内容をタグの要素としてそのま
ま埋め込む．以下にパターンの例を示す．
“ ” “ ”
オブジェクトの内部状態が変化したときに・
・
・
ネットワーク網を表すクラス・
・
・
次に示すいずれかの場合に，パターン・
・
・
ここには，構成要素，協調関係の説明文が入る
コード生成に必要な情報が入る
パターンでは実装上の様々な問題を・
・
・
!"
また，本研究で開発するシステム以外でも，パター
次の例は，
「動機」の節で述べた接続の例に・
・
・
ンリポジトリに蓄積されたデータは参照可能であり，
!"
#
本研究で目的とするコード生成以外の用途として，パ
パターンは次のような結果を・
・
・
ターンの閲覧や，モデル化といった，関連研究に挙
#
げたような目的にも転用可能である．
$
%
!
&'
と (%)&(*+, は，パターン・
・
・
$
%
!
パターン記述形式
"!
・
・
%' パターン-いつどのように・
デザインパターンに意味的構造を持った形式的記
"!
述を与えるため，まず，文献 '( の内容を ,-. で記
述すべく，パターンの説明文より各々の項目に対応
するタグを定義する．ソースコード生成に使用するタグ以外の部分については，大月らが論文
この例では，パターン名を 95 タグの属性と
'%( で定義したタグが適当であると考えるため，これ
を参考にする．各項目とそれに対応するタグの名称して，別名とともに与え，95 タグ内にそれ以下
を図 % に示す．パターンリポジトリに蓄積されたパ
ターンより，それらの説明を参照できるようにするの項目を要素として入れ子にしている．タ
グ内の 5 タグには，平文で与えられた構造，構成
¾
以前に提唱
．
の創始者の人であるランボーが，
していたモデリング手法である．
要素，協調関係の説明を記述する．タグ内
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4
する．
%& :5 クラスは複数存在することがあ
る．*ホットスポット+
コード生成に必要な記述形式
4& :5< クラスは :5 クラスのイン
スタンスを保持しなければならない．
のコード生成に必要な情報については次節にて説明
パターンに形式的な記述を与える際に，開発者が
& :5 クラスはクラスを具象化す
るメソッドを実装しなければならない．
パターンの持つ意味的構造を破壊するのを防ぐため，
ホットスポット *パターンを具体化する際に変更しな
これらの点を考慮し，以下にパターンの
タグ内における形式的な記述例を示す．
構造を壊すため変更すべきでない部分+ を考慮する
“ ”
必要がある．これらの説明のため前節で用いた “ ”
パターンを例にとる．パターンの #- 図は図
“”
4 のように表される．
“”
ければならない部分+ とフローズンスポット *意味的
Context
State
Request()
Handle()
以下，他クラスとの関連を記述
…
ここに禁止操作を記述
ConcreteStateB
ConcreteStateB
Handle()
Handle()
“ ”
“ ”
“ ”
“”
図 4/ パターンの #- 図
:5< クラスはクライアントに必要なインタフ
ェースを定義し，状態を表す :5 クラスの
インスタンスを保持している．クラスは :5
< クラスの個々の状態に関する振る舞いをカプセル
化するためのインタフェースを定義している．:5
クラスは :5< クラスのつの状態に
関する振る舞いが実装される．
これらのクラスの関係において，:5< クラスと
クラスの集約関係を，:5! クラス
との集約関係に変更すると，:5= の実装
している振る舞いを使用することができず，パ
ターンの意味的構造が崩れてしまう．そのため :5
< クラスとクラスの集約関係はフローズン
スポットである．また，:5 クラスを具体
化する際，!，=，・
・
・と振る舞いに応じて増やして
いかなければならないため，ホットスポットである
と言える．
つまり，パターンを形式化するには以下の点
に注意する必要がある．
以下，他クラスとの関連を記述
…
ここに禁止操作を記述
“ . ”
“ ”
“”
“ ”
以下，他クラスとの関連を記述
…
ここに禁止操作を記述
各クラスの役割をタグと表現し，タグの
属性として，各クラスの情報を埋め込んでいる．15
タグには開発者がパターンを利用する際，禁止しな
ければならない点について注意を促すため，必要な
情報を埋め込む．
パターン利用支援システム
デザインパターンを用いたシステム設計では，使
用するパターンを一つ，もしくは複数選択し，パター
& :5< クラスとクラスの集約関係．*フ
ンの各要素を開発対象のシステムに対応した構成要
ローズンスポット+
素として具体化し，既存部品などの組み込みを行い，
& クラスと :5 クラスの継承関言語依存情報を補填してコーディングを行う．本研
究では，開発者が行うこれらの作業を機械的に自動
係．*フローズンスポット+
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支援するためのシステムを提案する．最終的にはパ
,
小林隆志佐伯元司デザインパターンのオブジェク
ト指向モデル化と支援ツールへの応用コンピュータ
ソフトウェア , - .,//01 22 3/45*
6
大月美佳瀬川淳一吉田紀彦牧之内顕文デザイ
ンパターンの $78 に基づく構造化文書化とその閲
覧情報処理学会論文誌 6) - 6 22 363430*
0
7
ターン構造を反映した自動コード生成を目指すが，生
成するのは完全に動作可能なソースコードではなく，
ソースコードの枠組みである．パターンを利用する
開発者が，パターンの誤った適用を行うのを防ぐた
め，コーディングの一段階手前まで誘導する．シス
－パターン情報を表示、必要項目の入
力を促す
－継承、特化など
－フローズンスポットを壊すことなくソー
スコードの枠組みを表示
図 / パターン利用支援の流れ
具体化を行う際，各段階でそれぞれのパターンの具
体化に最低限必要な情報の入力をシステムの利用者
に求めることで，意味的構造の破壊や，利用者の混
乱を防止する．生成されたコードを直接利用者が変
更してしまうと，パターンの意味的構造が崩れてし
まうおそれがあるが，これは，禁止操作をコメント
としてソースコード内に表示し，注意を促す．
まとめと今後の課題
本研究では，デザインパターンを機械的に扱うた
め，,-. を用いて形式的な記述を行った．論文 '%(
では -. を用いていたが，この場合より，現在普
及している ,-. はライブラリの充実などから扱い
やすく，コード生成に必要なデータの記述に優れて
いると考える．またパターン利用支援システムにつ
いては，年 > 月現在，提案するシステムを開発
中である．パターンの ,-. 記述形式も，システム
の使用時に必要な情報と補完し合いながら，相互に
突き詰めていく必要がある．
参考文献
!"#
本位田他
訳オブジェクト指向における再利用のためのデザイ
ンパターンソフトバンク ))*
$%
&#'( ))*+
-:
&7
9"
$22
$(
&
$"
<
" =
$78 > )))
*
－蓄積したパターン情報を参照
9
;
テムの基本的な流れを図に示す．パターンの選択，
パターンリポジトリ
使用するパターンを選択
クラス名、メソッド名などの入力
クラス同士の関係を補填
コードの枠組みを生成
ソースコードの補填
鷲崎弘宜深澤良彰ソフトウェアパターン研究の現
在と未来情処研報 ,//6 -** .$#01

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