オブジェクトライフサイクルの可視化によるオブジェクト指向概念の理解支援 Object-oriented Concepts Understanding Support by Visualizing the Object Life Cycle ソフトウェア工学研究室 p10010 岩本周也はじめに Javaプログラミングの初学者が陥り易い問題として，オブジェクト指向の利点を活かせていないプログラムを作成する事が挙げられる．これらは，オブジェクト指向概念の理解が不十分なままプログラムを書く事や，最終的な出力結果のみでプログラムの良し悪しを判断する事が原因だと思われる．具体的な問題例としては以下のような事例がある． (1) 複数のクラスに分割すべき情報を同じクラス内にまとめている等，クラス責務が明確になっていない． (2) 生成したインスタンス内のフィールドを，他のクラスが頻繁に参照・更新をしている．初学者にとって，上記の問題があるプログラムであってもエラー無く動作するため，問題点とは気付きにくい．そこで本研究では，オブジェクトライフサイクルを可視化し問題点に気付き易くさせ，初学者自身にプログラム内の問題点を改善させる事で，カプセル化や再利用性といった基本的なオブジェクト指向概念の理解支援を目指す．本研究においてのオブジェクト指向概念の理解とは，適切なインスタンス生成を用いており，クラスを再利用し易く変更・修正の行い易いプログラムを書ける事，オブジェクト指向の特徴であるカプセル化を理解している事とする． 2. 先行研究の課題先行研究に，本学科卒業生の研究がある[2]．先行研究においても Java プログラムからオブジェクト（インスタンス図）を可視化しており，検査したいプログラムと見本となるコードのオブジェクト比較を行い，相違を発見させる事で Java プログラミングの理解支援を図っている．可視化図の表示方法では，インスタンスの活性状態を色の明暗で識別可能にしており，無駄なインスタンスを一目で確認し易いようになっている．しかし，直接参照更新の指摘といったカプセル化を考慮した表示を行っていない事や，クラス情報について表示がされておらずメソッドの遷移が分かりにくい等，表示方法に改良の余地があった． 3. オブジェクトライフサイクルの可視化オブジェクトライフサイクルとは，オブジェクト（インスタンス）が生成されてから消滅するまでの流れ全体の事を指す．本研究では，プログラム内のクラスや生成されたインスタンスに着目し，生成から終了時までの各オブジェクト状態を可視化させる．したがって，分岐や繰り返しといったプログラムの動作についての可視化は行わない．以下に，情報表示を行う事でオブジェクト指向概念の理解に繋がると思われるオブジェクトライフサイクルの局面を示す． ① インスタンスの生成時インスタンスが生成されたタイミングで，インスタンス図に生成されたインスタンスを出現させる．これにより，ソースコードのどこでインスタンス生成が行われているのか，インスタンスの初期状態がどうなっているかを視覚的に判断できる．この段階では，インスタンスの 1. 指導教員松浦佐江子教授活性状態は不活性であるため，先行研究と同様インスタンス図を暗く表示する．インスタンスの活性状態とは，そのインスタンスがアクセスされた事を示す状態である．未アクセスであれば未活性，アクセス済であれば活性とする． ② メソッドの実行時，フィールドの参照・更新時この局面では，メソッド実行中のインスタンスをハイライトさせ，変化の生じたインスタンス図を更新させる事で，各メソッドでどのような作業を行っているのか，どのフィールドにどのようなアクセスをどこで行っているかを示す．メソッド実行されたインスタンスは，活性化された事を示すため色を明るくする．また，先行研究の課題を踏まえ1節(2)のように他クラスのフィールドへの直接参照・更新を行っている場合は，互いのインスタンス図同士を直線で繋ぎカプセル化に反している指摘を行う事で，プログラム内にある問題点の発見に繋げる．直線は赤色で，回数が増えるたびに太く表示する．ここでは，カプセル化に違反していることを重点的に分からせるため，表示に参照・更新の区別は出さない． ③ インスタンスの最終状態（プログラム終了時）この局面では全インスタンスの最終状態が表示されているため，最終的に幾つのインスタンスが生成されたか，フィールドの値がどうなっているか等が分かる．また，インスタンスの最終的な活性化状況が分かるため，無駄なインスタンス生成の有無が確認できる．加えて，解答となるプログラムと最終状態を比較する事でプログラムのクラス構造を確認させ，1節(1)で挙げた問題に気付かせる． 4. ツールの概要図 1. 可視化ツール適用したJavaプログラムから3節の可視化を実現するツールを作成した．画面左側にソースコード画面，画面右側に可視化図表示画面を配置し，そこに実行中の行に対応するオブジェクト状態を表示させる．操作機能としてはプログラムを1命令ずつ実行させるステップ機能，1命令前の状態に戻すバックステップ機能を導入している．各機能でステップ数を変化させると，ソースコード画面は実行行をハイライトさせ，可視化図は実行行に対応する図へと変化・更新させる．ツールの実装において，JavaのデバッガであるJDB[1]を使用している．JDBとはコマンドを入力する事で1命令単位の実行や各インスタンス情報の取得が可能なツールである．本ツールにおいては，1行ずつプログラムの実行を行う「step」機能と，オブジェクトの情報を取得する機能として「watch」「print」「locals」「dump」等のコマンドを用いている． watchはフィールドの参照・更新を監視する． printは入力した式に相当する値を出力する．この機能でオブジェクトのハッシュを出力させ，各インスタンスの判別に使用する．localsは実行中のメソッドにあるメソッド変数・ローカル変数を出力する．dumpはインスタンスのフィールド情報を出力する．データ取得の流れとしては，watch機能で全フィールドの参照・更新を通知するよう設定した後，step機能で実行しながらdump機能とlocals機能を使い各変数・フィールドの値を出力する．その出力内に他インスタンスが含まれる場合は，print機能を用いてどのインスタンスなのかを判定する．以上の動作を対象プログラムに1ステップ毎作用させる事で，その行でのインスタンスの変化をデータとして取得している．この出力されたデータを解析・加工・保持する事でツールでの可視化機能を実現している． 5. 具体例での考察以下，具体事例を交えて，本ツールを使用したプログラムの問題発見・改善方法について説明する．具体例として，オブジェクト指向プログラミングⅠでの課題であった「LineSegment(線)クラスを実装し，そのLineSegmentクラスのインスタンスを複数生成し画面出力を行う」といったプログラムを使用する．この課題は，以前に作成済みの Pointクラスを使用して実装する事を目的としている．クラス内の構成は，Pointクラス内にはx,y座標を表すような整数型フィールドが2つ宣言されているため，LineSegment クラス内には始点・終点を表すようなPoint型フィールドが2つ宣言される事が望ましい．また履修者はこの課題が課された時点で，以前作成したクラスを使って新たなクラスを定義したことが無く，アクセス制御についても取り組んでいないため，カプセル化についての知識が不十分である事を前提とする． [事例 1] 多く見受けられた問題として， Pointクラスを使用せずにプログラムを実装している問題がある．以下に該当者と解答例のインスタンス図を示す． Point型インスタンスを使って実装している事が分かる．以上より，初学者は解答例の表示結果から以前作成した Pointクラスを使用してLineSegmentクラスを実装できる事を確認した後，自身のプログラムをPointクラスを使用したものへと改善を行う．それにより，オブジェクト指向の特長である再利用性についての理解へと繋げる． [事例 2] もう1つ多く見受けられた問題点が，他クラスのフィールドを直接参照・更新している点である．例えば， LineSegmentクラスのインスタンスを生成する際には，同時にPointクラスのインスタンスを生成する事になる．本来その時は，生成したい座標をPointクラスに渡し，Pointクラス内でフィールド更新を行う事が望ましいところを，一度Pointクラスのインスタンスを生成した後，そのインスタンス内のフィールドをLineSegmentクラス内で直接更新しているような場合である．直接参照・更新を行うとオブジェクト間の結合度が増し，修正・変更が生じた際にプログラム全体の変更箇所が増える可能性がある．そのため，アクセス制御を用いて抑制し，できるだけそのデータに関わる作業をそのクラスに記述すべきとされている．この問題の場合，インスタンス図に赤い直線が見える事で発見する事ができる．以下に，直接参照更新を行っているプログラムのインスタンス図を図 4に示す．図 4. 改善前のインスタンス図発見後，ステップ・バックステップ機能を使って，どの行で直接参照更新が行われているのかを調べ原因箇所の修正を行う．以上の改善を赤い直線が表示されなくなるまで繰り返す事で，オブジェクト指向の特徴であるカプセル化を考慮したプログラムの書き方を理解できる事が望まれる．図 5. 改善後のインスタンス図図 2. 該当者のインスタンス図図 3. 解答例のインスタンス図この問題は，プログラムとクラス数やフィールドの構成等，解答例となるクラス図やインスタンス図との差異を確認する事で発見できる．この事例では図 2及び図 3のインスタンス図より，該当者は4つの数値型フィールドを LineSegmentクラスに持たせて実装し，解答例では2つのまとめ本研究では，クラス・インスタンス情報に加え，他クラスのフィールドへの直接参照更新や不要なインスタンスの有無などのプログラム内の問題点を可視化するツールを作成し，プログラムからその問題点を発見できる事が確認できた．今後は，より理解し易いクラス図・インスタンス図の表示方法(表示項目，並べ方)や，プログラム内の配列への対応などの実装を改善し，ツールの有用性を評価する事で有用なツールを目指す．参考文献 [1] JDB，http://docs.oracle.com/javase/jp/7/technotes/tools/wi ndows/jdb.html [2] 阿部，可視化されたオブジェクト比較によるJavaプログラミング理解支援，2011年度学位研究論文集 6.