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動くプログラムを書こう
2023-11-11 JJUG CCC 2023 Fall
LINEヤフーコミュニケーションズ
きしだ なおき(@kis)
逐次実行と状態遷移を理解して処理を書けるようになろう
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2023/11/11 2
自己紹介
●
きしだ なおき
●
LINEヤフーコミュニケーションズ
(旧LINE Fukuoka)
●
twitter: @kis
●
blog: きしだのHatena
●
(nowokay.hatenablog.com)
●
「プロになるJava」というJava入門書を書いてます
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2023/11/11 3
わかりますか？
x = x + 1
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わかりますか？
●
x = x + 1
●
イディオムとして形で理解してる人もいるかも
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わかりますか？
●
x = (x = x + 1) + x
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わかりますか？
●
x = (x = x + 1) + x
●
ここではどのように追えばいいかわかればOK
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わからないときの差は？
● x = (x = x + 1) + x では「=」を式として使っている
●
しかしそれを知っただけでわかるわけではない
●
ではなぜそこでわからなくなる？
●
var y = x = 1は「=」を式として使っているけど理解しやすい
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x = x + 1の難しさ
●
プログラムが通常の式や文章と違うことが表されている
●
演算、逐次実行、状態遷移が含まれている
●
プログラムの処理の本質
●
計算機も論理回路、クロック、フリップフロップでできている
●
x := x + 1や x + 1 → xのように表記を変えても解決になりにくい
x = x + 1
演算
状態遷移
状態遷移
逐次実行
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逐次実行をちゃんとやろう
●
x = x + 1がわからないのは逐次実行がわかっていないから
●
演算は算数でのトレーニングが活かせる
●
ここでの状態遷移は複雑ではない
●
変数、ループがわからないのは逐次実行がわかっていない
●
そこまでごまかせていたものが表出するだけ
●
x = (x = x + 1) + x がわからないのも
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ループ
●
まずは、各回が独立したループを考える
●
今日の話は、最初は簡単と思っていても
どこかからなぜか難しくなります
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同じ処理を無限に繰り返す
●
同じことを無限に繰り返すのはループの中で一番簡単
void main() {
for (;;) {
System.out.println("Hello");
}
}
※ Java 21ではクラスやメインメソッド引数が省略できるようになっています
※ --enable-previewが必要
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回数が決まっている
●
回数が決まったループは少し面倒
void main() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("Hello");
}
}
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rangeを使って回数指定
●
IntStream.rangeを使うとわかりやすい
●
けど構文がちょっと複雑
import static java.util.stream.IntStream.range;
void main() {
range(0, 5).forEach(_ -> {
System.out.println("Hello")
});
}
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ループ変数の値を使う
●
毎回やることが少し変わる
void main() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(STR."Hello \{i}");
}
}
※ Java 21では文字列に式が埋め込めるようになっています
※ --enable-previewが必要
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リストを使ったループ
●
拡張forでリストを使うループ
import java.util.List;
void main() {
for (var s : List.of("apple", "banana")) {
System.out.println(s.toUpperCase());
}
}
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値の集約
●
リストをひとつの値に集約する
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ループによる値の集約
●
ループを使って合計
void main() {
int[] data ={23, 76, 43, 9, 17, 32, 59};
var result = 0;
for (int n : data) {
result += n;
}
System.out.println(result);
}
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条件を全てが満たすかどうか
●
ループで実装
void main() {
int[] data ={23, 76, 43, 9, 17, 32, 59};
var result = true;
for (int n : data) {
result &= n % 2 == 1;
}
}
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条件を満たす値のリスト
●
ループで実装
●
数値配列を動的に構築するときはIntStream.builder
import java.util.stream.IntStream;
void main() {
int[] data ={23, 76, 43, 9, 17, 32, 59};
var result = IntStream.builder();
for (int n : data) {
if (n % 2 == 1) continue;
result.add(n);
}
var nums = result.build().toArray();
}
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集約の基本構造
●
共通の構造がある
●
仕組み化できる
●
Stream var result = 初期値
for (繰り返し) {
処理
resultへの追加処理
}
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Streamによる値の集約
●
streamによる合計
import java.util.stream.IntStream;
void main() {
int[] data ={23, 76, 43, 9, 17, 32, 59};
int result = IntStream.of(data)
.sum();
}
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条件を全てが満たすかどうか
●
streamによる判定
import java.util.stream.IntStream;
void main() {
int[] data ={23, 76, 43, 9, 17, 32, 59};
var result = IntStream.of(data)
.allMatch(n -> n % 2 == 1);
System.out.println(result);
}
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条件を満たす値のリスト
●
streamによるリスト生成
import java.util.stream.IntStream;
void main() {
int[] data ={23, 76, 43, 9, 17, 32, 59};
var result = IntStream.of(data)
.filter(n -> n % 2 == 1)
.toArray();
System.out.println(result);
}
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終端処理と演算
●
まとめると、こう
終端処理 初期値 更新処理
sum 0 +
allMatch true &
anyMatch false |
toList new ArrayList() add
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単位元
●
初期値は単位元になっている
●
単位元
●
a = e a = a e
★ ★ となる値a
●
足し算の場合0
●
掛け算の場合1
●
リストの結合の場合、空リスト
終端処理 初期値 更新処理
sum 0 +
allMatch true &
anyMatch false |
toList new ArrayList() add
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前後のデータに依存するループ
●
Streamで書けない
●
ただしJava 22でGathererによって可能になるかも
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移動平均
●
他のデータを参照する
●
複数のデータで平均をとる
●
平均をとる範囲が移動していく
●
なめらかにする
●
ローカットフィルタ
●
例: 日次売上を7日で移動平均
●
曜日の影響を排除できる
import java.util.Arrays;
import java.util.stream.IntStream;
void main() {
int[] data ={23, 76, 43, 9, 17, 32, 59};
var builder = IntStream.builder();
for (int i = 0; i < data.length - 2; i++) {
int sum = Arrays.stream(data, i, i + 3).sum();
builder.add(sum / 3);
}
var result = builder.build().toArray();
System.out.println(Arrays.toString(result));
}
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移動平均の計算量
●
二重ループがある
●
O(nm)
●
n = データ数
●
m=ウィンドウサイズ
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二重ループのない移動平均
●
二重ループを排除できる
●
O(n)
●
ウィンドウサイズに依存しない
●
スライディングウィンドウ
●
入ってくるデータと
出ていくデータを
かんがえる
import java.util.ArrayList;
import java.util.stream.IntStream;
void main() {
int[] data ={23, 76, 43, 9, 17, 32, 59};
var builder = IntStream.builder();
var window = new ArrayList();
var sum = 0;
for (var n : data) {
sum += n;
window.addLast(n);
while (window.size() > 3) {
sum -= window.removeFirst();
}
if (window.size() == 3) builder.add(sum /3);
}
}
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隠れた状態を利用する
●
データ直接ではないとき難しい
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カッコの対応を判定する
●
カッコの対応を判定
●
“abc(def)ghi” ->
🙆
●
“abc((def)ghi” ->
🙅♀️
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カッコの対応を判定する処理
●
カウンタを使う
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隠れた状態さえ見つければ実装は簡単
●
割と素直
●
コードから難しさが
わかりにくい
boolean check(String data) {
int count = 0;
for (var ch : data.toCharArray()) {
switch (ch) {
case '(' -> count++;
case ')' -> {
count--;
if (count < 0) {
return false;
}
}
}
}
return count == 0;
}
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複雑な状態遷移
●
状態が入り組むことがある
●
状態遷移としてまとめる
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状態遷移図
●
状態遷移を表す図
●
例: 10進数整数
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状態遷移のコード
●
状態遷移図の実装 boolean check(String s) {
enum State { START, ZERO, INT }
var state = State.START;
for (char ch : s.toCharArray()) {
switch (state) {
case START -> {
if (ch == '0')
state = State.ZERO;
else if (ch >= '1' && ch <= '9')
state = State.INT;
else return false;
}
case ZERO -> {
return false;
}
case INT -> {
if (ch < '0' || ch > '9') return false;
}
}
}
return state != State.START;
}
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状態遷移はいろいろ現れる
●
リクエストを受けるごとに状態が遷移
●
例: 購入->入金->配送
●
場当たり的にフラグ管理をして破綻しがち
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正規表現と正規言語
●
正規表現であらわせる
boolean check(String s) {
return s.matches("0|[1-9][0-9]*");
}
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逐次実行と状態遷移
●
逐次実行はプログラムカウンタの状態遷移
void main() {
System.out.println("Hello");
System.out.println("World");
}
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クロックで実行処理を決める
●
プログラムカウンタを使う
int counter = 0;
void clock() {
counter = (counter + 1) % 2;
switch (counter) {
case 0 -> System.out.println("hello");
case 1 -> System.out.println("world");
}
}
void main() {
for (;;) clock();
}
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命令で処理を共通化
●
ノイマン型アーキテクチャ import java.util.List;
sealed interface Op permits Output, Goto {} // 命令
record Output(String message) implements Op {}
record Goto(int no) implements Op {}
List codes = List.of( // プログラム
new Output("hello"),
new Output("world"),
new Goto(0));
int counter = 0;
void clock() { // 命令実行
counter++;
switch(codes.get(counter-1)) { // 命令ごとの分岐
case Output(var msg) -> System.out.println(msg);
case Goto(var no) -> counter = no;
}
}
void main(String[] args) {
for (;;) clock();
}
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再帰
●
メソッド内で自分自身を呼び出す
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再帰によるループ
●
再帰はループになる
void main() {
System.out.println("hello");
main();
}
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回数の決まった再帰
●
条件をいれて止める
void loop(int i) {
if (i -> 5) {
return;
}
System.out.println(STR."Hello \{i}");
loop(i + 1);
}
void main() {
loop(0);
}
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回数の決まった再帰のパターン
●
パターンを覚えれば書きやすい
戻り値 処理(引数) {
if (終了条件) {
return 再帰を行わない値
}
return 処理(加工した引数)
}
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入れ子になった状態遷移
●
複数のカッコの対応を判定
●
再帰を使うと書きやすい
●
スタックの隠蔽
void check(String str) {
idx = 0;
System.out.println(STR."\{str} \{check(str, 0)}");
}
int idx;
boolean check(String str, int paren) {
for (; idx < str.length(); idx++) {
char ch = str.charAt(idx);
switch (ch) {
case '(', '{', '[' -> {
idx++;
if (!check(str,ch)) return false;
}
case ')', '}', ']' -> {
return ch == paren + (paren == '(' ? 1 : 2);
}
}
}
return paren == 0;
}
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文脈自由言語
●
入れ子のある正規表現
●
構文解析に使える
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初期化のある再帰のパターン
●
初期化がある場合
戻り値 処理(引数) {
初期化
処理impl(引数, 追加のデータ)
}
戻り値 処理impl(引数, 追加のデータ) {
if (終了条件) {
return 再帰を行わない値
}
return 処理impl(加工した引数, 加工した追加のデータ)
}
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深さの変わるループ
●
多重ループ
●
n重ループを実装するには？
import static java.util.FormatProcessor.FMT;
void main() {
for (int i = 1; i <= 9; i++) {
for (int j = 1; j <= 9; j++) {
System.out.print(FMT."\{i}*\{j}=%2d\{i*j} ");
}
System.out.println();
}
}
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再帰による可変ループ
●
再帰によって可変にする
void loop(int n) {
loopImpl(n, 0);
}
void loopImpl(int n, int c) {
if (n == c) {
System.out.println("なにか処理");
return;
}
for (int i = 0; i < n; ++i) {
loopImpl(n, c + 1);
}
}
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もっと勉強するには
●
プロになるJava
●
WEB+DB PRESS Vol.135, Vol.136
●
数学ガール 乱択アルゴリズム
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AI時代にも価値を出せるように
●
ライブラリの使い方は「AI」がわかる
●
単純な知識の蓄積に意味がなくなる
●
検索で暗記の必要はなくなっていた
●
手に覚えさせることも不要になりつつある
●
プログラムの処理が発想できること把握できることが大切
●
正しく表現できる、読み取れることが大切
●
発想したあとのコードは「AI」が書いてくれる