リファクタリングプロセスの再利用によるオブジェクト指向プログラミング学習支援の提案

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(1)情報処理学会第67回全国大会. 3D-7 リファクタリングプロセスの再利用によるオブジェクト指向プログラミング学習支援の提案藤原. 巧1. 松浦. 佐江子2. 芝浦工業大学大学院電気電子情報工学専攻1 芝浦工業大学電子情報システム学科2 1. はじめに. 4. リファクタリングケーススタディ. オブジェクト指向パラダイムはソフトウェアの保守性、再利用性等の品質を向上させるための特徴を備えている。しかし、オブジェクト指向初学者にとってオブジェクト指向の概念は理解し難いため、オブジェクト指向の特徴を活かした実装は困難である。そこで初学者自身のプログラムに対しオブジェクト指向の特徴を活かしたプログラムへと改善するためのリファクタリング[1]を行うことでオブジェクト指向プログラミングが学習できるのではないかと考えた。このとき、リファクタリングを行うための指針を初学者に示す必要がある。そこで初学者に示すリファクタリングプロセスを纏め蓄積し、再利用できるようなモデル化を行う。本稿ではオブジェクト指向初学者を対象に、リファクタリングプロセスのモデルを用いてオブジェクト指向プログラムを学習させることを提案する。. 本ケーススタディは 2 節での問題を解決するため、初学者に示す有効なリファクタリングプロセスとは何か、またそのプロセスは再利用が可能か、３節で述べた問題点を解決するために、どのような操作を行うべきかを考察することを目的とする。リファクタリングは以下の観点に着目する。 (1)冗長な記述の除去 (2)アーキテクチャモデルの構築 (3)アプリケーション固有のリファクタリング (1)では特定のプログラミングパラダイムに依存しない問題点に対してリファクタリングを行う。(2)ではプログラムにアーキテクチャモデルを組込む。(3)ではアプリケーション固有の問題に対して、主にオブジェクト抽出のリファクタリングを行う。リファクタリングは(1)→(2)→(3)の順に行う。. 2. リファクタリング. 4.1 対象プログラムの特徴. リファクタリングとは、外部から見たシステムの振る舞いを変えずにソフトウェアの理解性、再利用性、変更容易性の向上という観点からプログラムの構造を書き変えることである。Fowler により 72 のオブジェクト指向プログラムにおけるリファクタリング操作が提唱されている。リファクタリングの問題点はリファクタリング実行者が経験的に改善場所とそこに適用する操作を決定する点にある。つまり、リファクタリングの結果がリファクタリング実行者の経験に依存するため、リファクタリング後のプログラムの品質が向上することが保証できないので、初学者が有効なリファクタリングを行うことは難しい。. 本ケーススタディでは、Java 言語で記述された２つのオセロゲームのプログラムを対象にした。共に 1 クラスのみの構成で、類似コードが散在している。また MouseListener インターフェースと Applet クラスを実装、継承している。MouseListener インターフェースで宣言されているメソッドを実装することによりマウスからの入力処理を扱うことができ、Applet クラスのメソッドをオーバーライドすることでブラウザへ出力を行うことができる。2 つのプログラムの相違点として、プログラム 1 は Java 言語を半期学習した初学者が作成したもので人間対人間が実行でき、プログラム 2 は構造化プログラミング熟練者が作成したもので人間対 CPU が実行できる。. 3. 再利用性や変更容易性の低いプログラムオブジェクト指向言語における高品質なプログラムとは再利用性や変更容易性の高いプログラムである。オブジェクト指向言語の特徴である継承、カプセル化、ポリモルフィズムを活かすことでこれらの品質が向上する[2]。つまり、オブジェクト指向の特徴を活かされていないプログラムをオブジェクト指向の特徴を活かすように変更することで再利用性、変更容易性が向上すると言える。オブジェクト指向初学者や構造化プログラミング熟練者が作成したオブジェクト指向言語の特徴が活かされていないプログラムの特徴を次に記す。 (1)プログラムを処理単位で設計、作成している。 (2)フィールドを public にし、直接参照させてフィールドのカプセル化を行わない。同様に、全メソッドを public にし、全て外部に公開している。 (3)類似処理が発生した場合、コピー＆ペーストを行い、処理の異なる部分のみを書き換える。そのため、プログラム内に類似コードが散在する。 (4)条件式が同じ if 文や switch 文が散在しており、条件の追加や削除を行う箇所の特定が難しい。上記のプログラムの問題点は次の通りである。 (1)は構造化プログラミングであり、オブジェクトが適切に抽出できていないためオブジェクトの結合度が高く再利用性や変更容易性が低下し易い。(2)はカプセル化が行われておらず、クラス間の関係が密である可能性が高いため、クラスを単体で取り出すことが難しく、再利用性の低いプログラムに陥り易い。(3)はプログラムを変更する際に変更箇所が複数に散在する可能性が高いので変更容易性が低いと言える。(4)も同様に条件を追加、削除する際の変更箇所が散在しており、変更容易性が低い。 A Learning Support Method for OOP by Reusing Refactoring Processes 1 Takumi Fujiwara : Shibaura Institute of Technology graduate school Electric electronic information engineering speciality 2 Saeko Matsuura : Shibaura Institute of Technology Department of Electronic Information Systems. 4.2 ケーススタディの実施 4.2.1 冗長な記述の除去このプロセスでは、フィールドのスコープやコードの類似性、条件式の複雑さなどに着目することによりリファクタリングを行う箇所を発見することができる。適用したリファクタリングの一例は以下の通りである。 1: 未使用のインスタンスフィールドを除去した。 2: 使用範囲がメソッド内で閉じているインスタンスフィールドについてはメソッドフィールドに変更した。 3: 定数の値のみが異なるメソッドに対して、メソッドのパラメータ化を行い、重複したコードを纏め上げた。 4:テンプレートメソッドパターンを用いて、重複したコードを纏め上げた。 1、2 はスライシング技術[3]、3、4 は類似コードの検出技術 [4]を用いることで、リファクタリング箇所の特定が可能である。このステップを通じて初学者はポリモルフィズムを用いた類似コードの削除方法等を学習することが可能である。. 4.2.2 アーキテクチャモデルの構築オセロゲームはクライアントと対話的な処理を行う。この様なアプリケーションに有効なアーキテクチャモデルとして、アプリケーション固有のデータを Model、表示部分を View、入力イベント処理に対する記述を Controller として分割する MVC （Model/View/Controller）モデルがある。このプログラムでは Applet と MouseListener を用いて表示、入力処理を行う。そこで Applet で定義されているものと MouseListener で宣言されているものに着目し、Applet に関連するプロパティを View クラス、 MouseListener に関連するプロパティを Controller クラス、残りを Model クラスに移動し、クラスの分割を行った。適用したリファクタリング操作の一例を記す。 1: MVC モデルの観点からのクラスの抽出を行った。 2: 抽出したクラスに関連するプロパティの移動を行った。. 4−359.

(2) 対象モデルの特徴とモデルを構築するためのプロセスを纏めることで、このステップを通じて初学者がアーキテクチャモデルを構築するための手順を学習できる。. 4.2.3 アプリケーション固有のリファクタリング Model クラスに対してオセロゲームという観点からオブジェクトの抽出を行い、オセロ盤、オセロの石、プレイヤーといった要素をオブジェクトとして抽出した。プログラム２ではオセロの石に関する操作が全く存在しなかったので冗長な記述であると判断し、再度リファクタリングを行い、オセロの石クラスの除去を行った。図 1、図 2 に示す Board はオセロ盤、Player はプレイヤーである。また、図 1 の Item とそのサブクラスがオセロの石を表している。その後、変更要求を予測し変更に強固にするためのリファクタリングを行った。予測した変更要求は[表示する石を自由に変更する]、[プレイヤーを人間か CPU 切り替え可能にする]、[プレイヤー数を 2 人以上にし、自分以外の色の石を挟んだ場合に自分の石の色に変更するようにルールを変える]である。変更要求に強いプログラムを作るには、オブジェクトの独立性を高める必要がある。予測した要求変更に現れるオブジェクトはオセロの石、プレイヤーである。これら抽出したオブジェクトと他のオブジェクトの依存性を低くするようなりファクタリング操作を行う。オセロの石とプレイヤーのクラスの独立性を高めるために ItemFactory と PlayerManager を用いてオセロの石の生成部分の隠蔽とプレイヤーの隠蔽を行った。以下がリファクタリング操作の一例である。 1: オセロゲームの観点でオブジェクトの抽出を行った。 2: FactoryMethod におけるコンストラクタの置き換えを行い、サブクラスの生成を隠蔽した。このステップはリファクタリングを行うための抽象的な基準を設けることが難しい。しかしリファクタリング範囲が Model 部分に絞られている分、オブジェクト抽出が行い易いと考えられる。図 1、図 2 がリファクタリング後のクラス図である。. 本ケースの流れでリファクタリングを行うことはソフトウェア開発の各フェーズを逆に進めていることに近い。冗長な記述の除去は実装、アーキテクチャモデルの構築はシステム設計、アプリケーション固有のリファクタリングはシステム分析に対応し、各々のフェーズでの誤りや見落としにより発生したプログラムの問題点を改善していると考えることができる。フェーズを遡ることにより、リファクタリングを円滑に進めることが可能になる。冗長な記述の削除を始めに行うことで類似コードや不要なフィールドが除去される。つまり、その後のリファクタリングを行う際に、変更箇所を局所化させることが可能になる。また、アプリケーション固有のリファクタリングはアーキテクチャモデルでの Model の部分に関してリファクタリングを行うので、先にアーキテクチャモデルを構築し Model 部分を切り離すことでリファクタリング対象範囲を狭めることができる。プログラム１とプログラム２では類似コードを削除するためのリファクタリング操作が異なった。プログラム１の類似コードはメソッド内の定数が異なるメソッド群であった。そこで定数の差異を吸収するためにメソッド外部から引数として値を与えた。一方、プログラム２ではメソッドの差異の箇所がメソッドの処理の一部でありプログラム１よりも広範囲であったため、単に引数を用いて差分を吸収することができず、テンプレートメソッドパターンを用いて類似コードを除去した。このように類似コードの範囲により、適用されるリファクタリング操作が異なり、結果として出現するクラスに違いが生じた。しかし、その他の部分ではリファクタリング操作に違いはなく、特徴の類似しているプログラムであれば共通のリファクタリングプロセスを再利用できる。学校教育におけるプログラム初学者への教育指導を考えた場合、生徒には同一の問題が提示される。初学者に出題する問題と考えると、その問題は簡潔なもので規模が小さいと考えられる。故に、作成されるプログラムは一般的な問題に比べてバリエーションが少ないと推測できる。プログラムの特徴が類似している場合にリファクタリングプロセスが再利用できるならば、最終目標を想定して共通のリファクタリングを行いながら自身のプログラムを改善し、オブジェクト指向プログラムの特徴を学習することが可能である。そのような場面ではリファクタリングプロセスの再利用は大いに有効であると考えられる。. 6. 関連研究図1. [5]では、CK メトリクス[6]を用いることでリファクタリング操作を機械的に決定し、実行者に依存しないリファクタリングを目指している。しかし、この手順では、プログラムの問題点と改善点を理解することが難く、意図した改善ができない可能性がある。このようなことからも、プログラムを理解し、改善が行えるようなリファクタリングプロセスをモデル化することは必要であると考える。. プログラム 1 のリファクタリング後のクラス図. 7. まとめ. 図2. 初学者のプログラムにリファクタリングを行うことでプログラムの品質を向上させることができる。更に、実際にリファクタリングを行い、自らのプログラムを改善することで初学者はオブジェクト指向言語の特徴を活かした実装を学習することができる。今後は多くのケーススタディを実施し、初学者に示すプロセスのモデル化を行い、モデルの蓄積を行っていく。. プログラム 2 のリファクタリング後のクラス図 2. 8. 謝辞. 5. 考察冗長な記述の除去を行うことによりプログラムの類似コードが減少し、不要なインスタンスフィールドが除去されるので変更容易性、可読性が向上する。アーキテクチャモデルの構築では、プログラムの責務の分割を行うことができ、各クラスの役割が明確になるため表示部分に変更を加える際に変更箇所を特定しやすくなる。アプリケーション固有のリファクタリングを行うことでもクラスの責務の分割が可能になる。このステップではクラスの責務を更に分割し、その後クラスの独立性を上げる。これによりプログラムの変更、拡張を行う際に変更点の特定が容易になる他、プログラムの一部を使用したい場合、クラスの独立性が向上しているため再利用し易くなる。このようにオブジェクト指向プログラムの特徴を活かすリファクタリングはプログラムの変更容易性、再利用性を向上させるので、効果があると言える。. 本研究で使用したプログラムは本学学生によって作られたものである。ここに記して謝意を示す。. 参考資料 [1] Martin Fowler,Refactoring Improving The Design Of Existing Code,Addison Wesley,2000 [2]Perdita Stevens,Rob Pooley,Using UML:Software Engineering with Objects and Components,Pearson Education Limited,1999 [3] 上原,佐野,保守とリエンジニアリング,共立出版, 2000 [4]CCFinder:http://iip-lab.ics.es.osaka-u.ac.jp [5] 秦野,乃村,谷口,牛島,”リファクタリングの自動化を支援する機構”, 情報処理学会 2002 シンポジウム,2002 [6] Shyam R. Chidamber 、 Chris F. Kemerer 、 ”A Metrics Suite for Object Oriented Design”、IEEE Transactions Vol.20 No.6 June 1994. 4−360.

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