計算機の基本原理を味わおう21 － オブジェクトの役割をきっちり決めて結合度を下げよう

　この記事は、計算機の基本原理を味わおう20　－　状態遷移と停止問題について考えようの続きです。前回は、停止問題について解説しました。今回は、オブジェクトの結合度に関する事柄を解説します。
　サンプルコードの量が増えてきたので、オブジェクト指向プログラミングをする上で避けては通れない、オブジェクトの結合度について考えてみましょう。オブジェクトの結合度というのは、簡潔に表現すると、オブジェクトがどれだけ他のオブジェクトを参照しているか、もしくは参照されているのかを表す概念です。この連載で扱っているサンプルコードは、まだ大した量ではありませんが、コード量が少ない段階から考えていくほうがよいです。何故ならば、コード量が多くなってから結合度について考えると、構造が把握し難く失敗しやすいからです。本来はオブジェクト指向設計で考えるのが良いのですが、プログラミングしている段階でも考えるべきです。
　具体的に考えていきます。最少計算機で気になるのは、CompareMoveオブジェクト（比較移動命令）の結合度が高い点です。現在の実装はメモリの読み書きに限定されていますが、比較移動本来の動きは、メモリに限ったものではありません。本来するべきことは、値を移動（コピー）するだけなので、メモリ以外でも実行できるようにしたほうがよいといえます。
　オブジェクトの結合度を低くするためには、インタフェースを定義し、それを参照するのがよいでしょう。

using System;

namespace MiniBitMachine.V3
{
    //命令の値（オペランド）が持つべきインタフェースの定義。
    public interface IOperand
    {
        ushort Value { get; set; }
    }
}

using System;
using System.Linq;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;

namespace MiniBitMachine.V3
{
    //比較移動命令。
    public class CompareMove : 
        Instruction, 
        IEquatable
    {
        //関係のないメンバーは省略

        //命令長。
        public static int Length { get { return 16; } }

        //比較フラグ
        private bool _compareFlag;
        public bool CompareFlag
        {
            get { return this._compareFlag; }
            set { this._compareFlag = value; }
        }

        //宛先。
        private IEnumerable _destinationBinary;
        private IOperand _destination;
        public IOperand Destination
        {
            get { return this._destination; }
            internal set { this._destination = value; }
        }

        //送信元。
        private IEnumerable _sourceBinary;
        private IOperand _source;
        public IOperand Source
        {
            get { return this._source; }
            internal set { this._source = value; }
        }

        //インスタンスを生成する。
        public CompareMove() : this( null, null, "" )
        {
        }

        //宛先と送信元を指定してインスタンスを生成する。
        public CompareMove( IOperand destination, IOperand source )
            : this( destination, source, "" )
        {
        }

        //宛先と送信元とコメントを指定してインスタンスを生成する。
        public CompareMove(
            byte destination,
            byte source,
            string comment )
        {
            this._destinationBinary =
                BitMaster.ConvertBinary( destination );
            this._destination = new Immediate( destination );
            this._sourceBinary =
                BitMaster.ConvertBinary( source );
            this._source = new Immediate( source );
            this.Comment = comment;
        }

        //宛先と送信元とコメントを指定してインスタンスを生成する。
        public CompareMove( 
            IOperand destination, 
            IOperand source, 
            string comment )
        {
            if ( destination != null ) 
                this._destinationBinary =
                    BitMaster.ConvertBinary( ( byte ) destination.Value );
            this._destination = destination;
            if ( source != null )
                this._sourceBinary =
                    BitMaster.ConvertBinary( ( byte ) source.Value );
            this._source = source;
            this.Comment = comment;
        }

        //バイナリ値からインスタンスを生成する。
        public CompareMove( IEnumerable binary )
        {
            if ( binary.Count( ) != CompareMove.Length )
                throw new ArgumentException(
                    String.Format(
                        "必ず{0}ビットの値を指定してください。",
                        CompareMove.Length ) );
            this._destinationBinary =
                binary.Where(
                    ( b, index ) =>
                        ( index < 8 ) ).Select( b => b );
            this._destination = new Immediate( 
                BitMaster.ConvertToByte( this._destinationBinary ) );
            this._sourceBinary =
                binary.Where(
                    ( b, index ) =>
                        ( index >= 8 ) ).Select( b => b );
            this._source = new Immediate( 
                BitMaster.ConvertToByte( this._sourceBinary ) );
        }

        //命令を実行する。
        public virtual void Execute()
        {
            if ( this._compareFlag )
                this.Destination.Value = this.Source.Value;
        }

    }
}

これで値を持つオブジェクトに対して、比較移動を使用できるようになりました。比較移動命令を変更すると、実行部分を変更する必要が生じるのでます。その方法として、実行を担当するExecuterオブジェクトを変更する手もありますが、それでは実行と解析の役割を兼用することになってしまいます。何故ならば、インタフェースを実装するオブジェクトを設定するコードドが必要になるからです。
　では、どうすればよいのでしょうか？こんな時は、オブジェクトが持つ役割は１つだと考えるとよいでしょう。ですから今回ベストな方法は、解析を担当するDecoderオブジェクトを定義することだと思います。実装なこんな具合になります・・・

using System;
using System.Collections.Generic;

namespace MiniBitMachine.V3
{
    //命令を解析するオブジェクト。
    public class Decoder
    {
        //実行に必要な情報。
        ExecuteEnvironment _exeInfo;

        //アドレスを管理するオブジェクト。
        Addresser _addresser;

        //解析に必要な情報を指定し、
        //インスタンスを生成する。
        public Decoder(
            ExecuteEnvironment exeInfo, 
            Addresser addresser )
        {
            this._addresser = addresser;
            this._exeInfo = exeInfo;
        }

        //命令をデコードする。
        public CompareMove Decode( IEnumerable<bool> binary )
        {
            CompareMove temp = new CompareMove( binary );
            CompareMove result = this.SetOperand( temp );
            return result;
        }

        //オペランドを設定する。
        private CompareMove SetOperand( CompareMove command )
        {
            if ( command.Destination.Value ==
                this._exeInfo.CompareFlagAddress ) {
                    return SetCompareFlagOperand( command );
            } else if ( command.Destination.Value ==
                    this._exeInfo.ProgramCounterAddress ) {
                        return SetProgramCounterOperand( command );
            } else if ( command.Destination.Value ==
                this._exeInfo.LastAddress ) {
                    return SetStopCpuOperand( command );
            } else {
                return SetMemoryOperand( command );
            }
        }

        //比較フラグに関するオペランドを用意する。
        private CompareMove SetCompareFlagOperand( CompareMove command )
        {
            command.CompareFlag = true;
            command.Destination = this._exeInfo.CompareFlag;
            command.Source = this.GetSource( command );
            return command;
        }

        //プログラムカウンタに関するオペランドを用意する。
        private CompareMove SetProgramCounterOperand( CompareMove command )
        {
            command.CompareFlag = this._exeInfo.GetCompareFlag();
            command.Destination = this._addresser.ProgramCounter;
            return command;
        }

        //CPU停止に関するオペランドを用意する。
        private CompareMove SetStopCpuOperand( CompareMove command )
        {
            command.CompareFlag = false;
            this._exeInfo.IsStop.Value = 1;
            command.Source = this.GetSource( command );
            return command;
        }

        //メモリに関するオペランドを用意する。
        private CompareMove SetMemoryOperand( CompareMove command )
        {
            MemorySnapShot destination = 
                new MemorySnapShot( 
                    this._addresser, 
                    this._exeInfo.ReferenceMemory, 
                    command.Destination.Value );
            command.CompareFlag = this._exeInfo.GetCompareFlag( );
            command.Destination = destination;
            command.Source = new Immediate( command.Source.Value );
            return command;
        }

        //メモリ用のソースを取得する。
        private IOperand GetSource( CompareMove command )
        {
            IOperand result = new MemorySnapShot(
                    this._addresser,
                    this._exeInfo.ReferenceMemory,
                    command.Source.Value );
            return result;
        }

    }
}

さらにやるべきことがあります。それは、レジスタオブジェクトと、メモリの一時状態（スナップショット）が必要です。なぜならば、IOperandインタフェースを実装しないと、比較移動命令に指定できないからです。
　以上のように、オブジェクトの結合度を低く保つには、ある程度の作業と新しいオブジェクトが必要となります。面倒だと思う人もいるでしょうが、結合度が高いオブジェクトを保守することを考えれば、無視できるコストです。必要ならば、一時的な労力を惜しんではなりません。プログラミングでは、将来のコストを下げるために、今コストがかかってもするのが原則です。覚えておくとよいと思います。続く...