【連続講座2】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう（Builder・Strategy・Composite）

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【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう Builder ・Strategy ・Composite パーソルクロステクノロジー株式会社エンジニアリング事業管掌　設計統括本部第2 電子・制御設計本部　第1 設計部　4G 　阿部耕二

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目次自己紹介開発環境構築設計、してますか? 良い設計とはどういう設計か? デザインパターンの学び方のススメ Builder Strategy Composite 参考資料 2

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自己紹介名前: 阿部　耕二（あべ　こうじ）所属: パーソルクロステクノロジー株式会社エンジニアリング事業管掌　設計統括本部第2 電子・制御設計本部　第1 設計部　4G 医療機器の組込みソフトウェア開発。C 言語。趣味: 宇宙開発（リーマンサットプロジェクト広報メンバー） LAPRAS ポートフォリオ: https://lapras.com/public/k-abe Twitter: @juraruming 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 3

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開発環境構築サンプルコードのコンパイル、実行にjava （JDK ）のインストールが必要です。下記のページなどを参照し、ご自分のPC のOS に合わせてインストールしてください。【2024 年版】Java JDK のインストール方法（Windows & Mac 対応）【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 4

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つぎのコマンド実行でバージョンが表示されていればOK です。私はつぎのバージョンで確認しました。 $ javac -version javac 17.0.8 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 5

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サンプルプログラムのビルド方法サンプルプログラムのディレクトリ（Main.java があるディレクトリ）に移動しつぎのコマンドでビルドする。 $ javac Main.java プログラムの実行はつぎのコマンドで行う。 $ java Main 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 6

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講座のGitHub リポジトリ https://github.com/grace2riku/design_pattern_lesson 今回の講座のディレクトリ https://github.com/grace2riku/design_pattern_lesson/tree/main/le sson_2 参考資料1 　ソースコードのダウンロード先 Java 言語で学ぶデザインパターン入門　第3 版【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 7

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設計、してますか? 設計してますか? 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 8

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こんなことになってませんか? おばあちゃんのプログラミング教室（ばあプロ）As A Service @Pythonist19 より引用 https://x.com/Pythonist19/sta tus/1845794841269055543 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 9

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設計の重要性要素技術にフォーカスしがち、注力しがち →　再利用しにくい、変更しにくいソフトウェアのできあがり他社との違い・自社の強みを活かしていないソフトウェアが誕生ビジネス競争力の低下　→　技術的負債に!!! 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 10

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設計の難しさお手本がない。対象製品、装置で個別の事情がある。製品の特性、開発期間、製品寿命、etc Web システムと組込みソフトウェア自動車と医療機器では設計思想も違ってきそう。自動車：変化が早い、開発期間短い、大量生産医療機器：開発期間長い印象、少量生産ソフトウェアは柔軟で、自由度が高すぎる。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 11

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対象システム、装置に応じた設計手法を学び、身につけるそしてチームメンバーと共通認識を持ちたい。デザインパターン設計の古典、教科書ともいえる。プログラミング言語の中に取り込まれて、見えない。　　→　学ぶことは意味があると考える。　→　開発時のコミュニケーションに活用する。　ここは「xxx 」パターンを適用してみようか? 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 12

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良い設計とはどういう設計か? 良い設計のために個人的に大事だと思うキーワード 1. 凝集度 2. 結合度 3. 関心の分離【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 13

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1. 凝集度関心ごとの集まり凝集度が高い方（関心ごとが一箇所に集まっている）が良い設計と言われる 1 つの目的・責務になっていることが望ましい例）料理を作る場面キッチン周りには料理に必要な設備が配置される（水道、冷蔵庫、コンロ、食器棚、その他）。 →必要なものが凝集している状態キッチン周りに洗濯機はいらない。料理をつくるという関心ごとに洗濯機は不要。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 14

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2. 結合度他のモジュールとの関連の度合い結合度が低い方（他のモジュールとの関連が少ない方）が良い設計と言われるあるファイルのグローバル変数が他の複数のファイルから参照されている状況は結合度が低い。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 15

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3. 関心の分離関心ごとを分離し、境界を設ける関心の分離が表現されている例としてOSI 参照モデル・TCP/IP に注目する【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう画像引用元 OSI 参照モデルとは？TCP/IP との違いを図解で解説 “ “ 16

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役割ごとに階層が分かれている下の層がハードウェアに近い【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 17

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上の階層ほど抽象的。目的・知識・Why 。下の階層ほど具体的。目的を達成する手段・How 。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 19

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デザインパターンの学び方のススメデザインパターンがどんな課題を解決できて、どのような構成なのかイメージを捉える参考資料1 の章題はデザインパターンを短く端的に表現している。参考資料3 では各デザインパターンを短く、わかりやすく解説してくれている。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 20

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クラス図とコードの写経をセットで行うコードだけ見ていても各クラスの全体の関係性がわかりずらい。クラス図だけを見ていても抽象的で本当に動くのか疑問がわく。設計図（抽象）　⇔　コード（具体的）の世界を行ったり来たりすることで整理できたり、気づきが得られることがあると思う。今回のサンプルコードはJava 。デザインパターンの考え方・実装は特定のプログラミング言語に限定されないと思うので自分が得意な言語で実装してみると理解が深まると思う。参考資料2 ではC# 、 C++ 、 Go 、 Java 、 PHP 、 Python 、 Ruby 、 Rust 、 Swift 、 TypeScript で実装例を提示してくれている。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 21

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デザインパターンに登場するクラスの相互関係に注目する複数のクラスが関係してパターンを構成している。各クラスの役割、関係性に注目する。デザインパターンがどのように振る舞うか? に加えて、デザインパターンはどのように使われるか? の視点も大事だと思う。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 22

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Builder 参考資料1 　章題　【複雑なインスタンスを組み立てる】複雑な構造をもったものを作り上げるとき、一気に完成させるのは難しい。全体を構成している各部分を作り、段階を踏んで組み上げていく。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 23

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サンプルプログラム例テーマ：参考資料1 の「文書」を作成するプログラム。文書は以下のような構造をもつ。タイトルを1 つ含む文字列をいくつか含む箇条書きの項目をいくつか含む参考資料1 サンプルプログラムでテキスト・HTML の文書をつくるのに加え、マークダウンで文書をつくるクラスを追加する。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 24

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サンプルプログラムのクラス図サンプルプログラムのディレクトリ https://github.com/grace2riku /design_pattern_lesson/tree/ main/lesson_2/Builder 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 25

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サンプルプログラムの解説 Builder クラスは文章を構成するメソッドを定義する。具体的な処理はサブクラスに書かれている。文章の種類の違いはサブクラスの中で表現されている。 Director クラスのconstruct メソッドで文章を作成する。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 26

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Director クラスのconstruct メソッドは文章の種類に関わらず同じ処理で文章を作成している。 public void construct() { builder.makeTitle("Greeting"); builder.makeString("一般的なあいさつ"); builder.makeItems(new String[]{ "How are you?", "Hello.", "Hi.", }); builder.makeString("時間帯に応じたあいさつ"); builder.makeItems(new String[]{ "Good morning.", "Good afternoon.", "Good evening.", }); builder.close(); 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 27

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Builder クラスの具象クラス（TextBuilder, HTMLBuilder, MarkdownBuilder ）のメソッド（makeTitle, makeString, makeItems, close ）はメソッド名が同じ。各具象クラスでメソッドの処理は異なる。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 28

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サンプルプログラムのビルド方法サンプルプログラムのディレクトリ（Main.java があるディレクトリ）に移動しつぎのコマンドでビルドする。 $ javac Main.java プログラム実行時は引数で作成する文書を指定する（Main.java を参照）。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 29

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テキストの場合 $ java Main text HTML の場合 $ java Main html マークダウンの場合 $ java Main md 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 30

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サンプルプログラムの実行結果（テキストの場合） $ java Main text ============================== 『Greeting』 ■一般的なあいさつ　・How are you? 　・Hello. 　・Hi. ■時間帯に応じたあいさつ　・Good morning. 　・Good afternoon. 　・Good evening. ============================== 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 31

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サンプルプログラムの実行結果（HTML の場合） $ java Main html HTMLファイルGreeting.htmlが作成されました。 HTML ファイルが作成される。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 32

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サンプルプログラムの実行結果（マークダウンの場合） $ java Main md MarkdownファイルGreeting.mdが作成されました。マークダウンファイルが作成される。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 33

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Builder パターンの登場人物を抽象的に書く Builder パターンのクラス図【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 34

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Builder パターンのシーケンス図【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 35

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Builder パターンのまとめ 1. 誰が何を知っているか 2. 依存性の注入（Dependency Injection ≒ DI ）【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 36

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1. 誰が何を知っているか Main はBuilder クラスのメソッドをしらない。 Director クラスのconstruct メソッドで文章を作れることは知っている。 Main としてはそれでOK 。 Director クラスはBuilder クラスのみをしっている。 Builder クラスのサブクラス（テキスト・HTML ・マークダウン）の詳細はしらない。 Director クラスはBuider クラスのメソッドを使っている。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 37

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Director クラスはサブクラスの詳細は知らないが、サブクラスを入れ替えることができた。知らないからこそ入れ替えができる → 部品として利用できる。設計者は誰が何を知っているのか知っている必要があるのかを意識することが大事そう。これを意識することで交換可能で優れた部品としてのクラスを設計できそう。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 38

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2. 依存性の注入（Dependency Injection ≒ DI ） Director クラスはBuilder クラスを知っている。Builder のサブクラス（テキストorHTMLor マークダウン）は知らない　→　依存していない。 Director クラスが文章作成するときは、サブクラスのインスタンスが必要となる。Director クラスを生成するときはサブクラスのインスタンス（テキストorHTMLor マークダウン）を渡している（依存性の注入）。　→　Director クラスはサブクラスのインスタンスに依存して動く、と言える。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 39

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依存性の注入のつかいところ渡すインスタンスにより動作を変えられる。例）データベースを使うシステムのテストデータベースアクセスのコードが何らかの理由で用意できていないとする。しかし、テストは進めたい。データベースにアクセスする実装のモック（データベースにアクセスせず、期待値を返す）のインスタンスを渡す( 依存性を注入する) 。本番コードのデータベースアクセスの実装ができたら渡すインスタンスを変えれば実行するコードを容易に切り替えることが可能。依存性注入はテストをしやすく技術としても使われている印象。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 40

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Strategy 参考資料1 　章題　【アルゴリズムをごっそり切り替える】 Strategy: 戦略という意味プログラミングの文脈においての戦略　≒　アルゴリズムアルゴリズムを切り替え、同じ問題を別の方法で解くのを容易にするパターン【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 41

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サンプルプログラムのテーマ UMTP 組込みモデリング部会組込みモデリングカタログ部品編 -> 目標制御をテーマとする。モデルの概要制御対象の測定値が目標値となるように制御する仕組み目標制御の適用例エアコンの温度制御自動車の速度制御その他、多種多様多岐に渡る【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 42

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目標制御のモデル解説参考資料4. 組込み分野のためのUML モデル解説書部品編 C001 目標制御 16 ページ目標制御モデルの全体構造【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 43

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目標制御の制御方式の解説参考資料4. 組込み分野のためのUML モデル解説書部品編 C001 目標制御 21 ページサンプルプログラムでは制御方式の各制御をStrategy パターンで表現する【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 44

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今回実装したのは図の赤枠のメソッド開始する（start ）、初期化（init ） Strategy パターンでPID 制御の部分がON ・OFF 制御、ファジー制御、機械学習制御のバリエーションになる【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 45

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今回実装したのは図の赤枠のメソッド実行する（execute ）、操作量を算出する（CalcOperationAmount ）【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 46

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今回実装したのは図の赤枠のメソッド終了する（exit ）【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 47

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サンプルプログラムのクラス図サンプルプログラムのディレクトリ https://github.com/grace2riku /design_pattern_lesson/tree/ main/lesson_2/Strategy 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 48

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各制御方式の詳細【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ参考資料4. 組込み分野のためのUML モデル解説書部品編 C001 目標制御 34 ページより引用 “ “ 49

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Strategy パターンとビジネス活動の連携の例制御方式実装コスト将来性 Strategy 適用例 ON ・OFF 制御低 × 社内ハード屋さん確認用にすぐリリースする PID 制御中 × 1st リリースファジィ制御高 △ 2nd リリース機械学習制御中 ○ ・販促。AI ・機械学習と打ち出すと売れる（かもしれない）・上位機種【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 50

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注意今回Java で目標制御のサンプルプログラムを書いたが、あくまで Strategy パターンを学ぶためのサンプルプログラムガベージコレクションがいつ実行されるかわからないJava でリアルタイム性が求められる制御を普通はしない。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 51

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サンプルプログラムのビルド方法サンプルプログラムのディレクトリ（Main.java があるディレクトリ）に移動しつぎのコマンドでビルドする。 $ javac Main.java プログラムの実行は制御方式の引数を指定する（つぎはON ・OFF 制御の場合）。 $ java Main onoff 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 52

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制御方式の引数の組合せ制御方式引数コマンド ON ・OFF 制御 onoff java Main onoff PID 制御 pid java Main pid ファジィ制御 fuzzy java Main fuzzy 機械学習制御 ml java Main ml 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 53

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サンプルプログラムの実行結果 ON ・OFF 制御の実行結果 $ java Main onoff OnOff制御を開始します... OnOffControlStrategy init OnOffControlStrategy CalcOperationAmount PID 制御の実行結果 $ java Main pid PID制御を開始します... PidControlStrategy init PidControlStrategy CalcOperationAmount 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 54

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ファジー制御の実行結果 $ java Main fuzzy ファジー制御を開始します... FuzzyControlStrategy init FuzzyControlStrategy CalcOperationAmount 機械学習制御の実行結果 $ java Main ml 機械学習制御を開始します... MachineLearningControlStrategy init MachineLearningControlStrategy CalcOperationAmount 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 55

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Strategy パターンの登場人物を抽象的に書く【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 56

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Strategy パターンのまとめアルゴリズムの切り替えを容易にする動的にアルゴリズムを切り替えてもよい Strategy ごとに開発メンバーをアサインし、パラレルで開発が進められたりできそうソフトウェア設計だけではなく、ビジネスの戦略としても使えそう【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 57

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Composite 参考資料1 　章題　【容器と中身の同一視】再帰的な構造を表現するのに便利なパターン【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 58

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Composite パターンのサンプルプログラム例ディレクトリとファイルの構造を表示する容器（ディレクトリ）と中身（ディレクトリまたはファイル）を同じように扱うディレクトリの中にディレクトリを入れることができる。ディレクトリの中にはファイルを入れることもできる。ファイル作成時はサイズを指定するディレクトリはディレクトリ配下にあるファイルの合計サイズを表示するファイルはサイズを表示する【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 59

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Composite パターンのサンプルプログラム例つぎのファイルシステムをつくる（仮想のファイルシステムで実際にディレクトリ、ファイルをつくる訳ではない）。【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 60

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サンプルプログラムのクラス図サンプルプログラムのディレクトリ https://github.com/grace2riku /design_pattern_lesson/tree/ main/lesson_2/Composite 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 61

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サンプルプログラムのビルド方法サンプルプログラムのディレクトリ（Main.java があるディレクトリ）に移動しつぎのコマンドでビルドする。 $ javac Main.java プログラムの実行はつぎのコマンドで行う。 $ java Main 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 62

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Composite サンプルプログラムの実行結果その1 root ディレクトリのファイル追加はつぎの表示となる。 $ java Main Making root entries... /root (30000) /root/bin (30000) /root/bin/vi (10000) /root/bin/latex (20000) /root/tmp (0) /root/usr (0) 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 63

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Composite サンプルプログラムの実行結果その2 usr ディレクトリのファイル追加はつぎの表示となる。 Making user entries... /root (31500) /root/bin (30000) /root/bin/vi (10000) /root/bin/latex (20000) /root/tmp (0) /root/usr (1500) /root/usr/yuki (300) /root/usr/yuki/diary.html (100) /root/usr/yuki/Composite.java (200) /root/usr/hanako (300) /root/usr/hanako/memo.tex (300) /root/usr/tomura (900) /root/usr/tomura/game.doc (400) /root/usr/tomura/junk.mail (500) 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 64

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Composite サンプルプログラムの実行結果その3 usr ディレクトリへのファイル追加でroot ディレクトリのサイズが増えていることが確認できる。（usr ディレクトリはroot ディレクトリ配下のディレクトリのため）【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 65

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サンプルプログラムの解説 Entry.java 表示メソッドは子クラスで実装することにしている。 // prefixを前につけて一覧を表示する protected abstract void printList(String prefix); 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 66

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Directory.java, File.java では System.out.println(prefix + "/" + this) のようにクラスのオブジェクトと文字列を加算している。これは toString() を実行すること同じになる。 // 文字列表現 @Override public String toString() { return getName() + " (" + getSize() + ")"; } 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 67

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サンプルプログラムの解説 Directory.java add メソッドでディレクトリの中にディレクトリまたはファイルを入れる。追加するもの（引数のentry ）はEntry 型になっていることがポイント。ディレクトリ・ファイルをEntry として追加している。 // ディレクトリエントリをディレクトリに追加する public Entry add(Entry entry) { directory.add(entry); return this; } 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 68

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サイズ取得のメソッド。再帰的にgetSize を呼び出す。結果的にディレクトリに存在するファイルの合計サイズが取得できる。 @Override public int getSize() { int size = 0; for (Entry entry: directory) { size += entry.getSize(); } return size; } 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 69

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プリントのメソッド。getSize() と同様に再帰的にprintList を呼び出す。結果的にディレクトリ、ファイルをツリー状に表示する。 @Override protected void printList(String prefix) { System.out.println(prefix + "/" + this); for (Entry entry: directory) { entry.printList(prefix + "/" + name); } } 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 70

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サンプルプログラムの解説 Main.java 1. ディレクトリ作成 2. root ディレクトリにディレクトリ追加 Directory rootdir = new Directory("root"); // 1 Directory bindir = new Directory("bin"); // 1 Directory tmpdir = new Directory("tmp"); // 1 Directory usrdir = new Directory("usr"); // 1 rootdir.add(bindir); // 2 rootdir.add(tmpdir); // 2 rootdir.add(usrdir); // 2 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 71

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3. ディレクトリにファイル追加 4. 作成した構成を表示 bindir.add(new File("vi", 10000)); // 3 bindir.add(new File("latex", 20000)); // 3 rootdir.printList(); // 4 【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 72

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Composite パターンの使いところファイルとディレクトリのような再帰的な構造を持つ物を扱いたい時【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 73

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ディレクトリ・ファイル以外のComposite パターン適用例参考資料1 に記載のプログラムの動作テストの例【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう KeyboardTest ではキーボードからの入力テストを行う。 FileTest ではファイルからの入力テストを行う。 NetworkTest ではネットワークからの入力テストを行う。 KeyboardTest, FileTest, NetworkTest をまとめて扱い、 InputTest という入力テストにする複数の出力テストをまとめたOutputTest も作れそう。 InputTest とOutputTest を合わせてInputOutputTest という入出力テストもつくれそう。 “ “ 74

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動作テストのオブジェクト図【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 75

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動作テストのクラス図【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェ 76

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参考資料 1. Java 言語で学ぶデザインパターン入門　第3 版 2. 直撃！デザインパターン 3. ぼくにもわかるデザインパターン　第2 章 GoF パターン大カタログ～パターンがみるみる頭にしみこむ～ 4. 組込み分野のためのUML モデル解説書部品編 C001 目標制御【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 77

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ご清聴ありがとうございました【連続講座2 】デザインパターンを学び、ソフトウェア設計に生かそう 78