宣言型プログラミング

宣言型プログラミング（英: Declarative programming）は、数理論理学的な性質を表わしている総称的なプログラミングパラダイムである。式の計算構造を、主に表示的意味論下のロジックで表現する構文にされることが多く、式枠外の副作用を伴なう制御フローや自由変数の多用などは排除されるようになる^[1]。計算構造は演繹的に組み立てられることが多い。命令型プログラミングと対をなしてのプログラミング言語の分類用語としても扱われている。^{[注釈 1]}}

宣言型言語は、what the program must accomplish（何をなすべきか）方針で、副作用を排除した式や純粋関数の実装に努める^[2]。これは命令型言語の、how to accomplish it（どうなすべきか）方針で、副作用を前提にした操作的意味論下のアルゴリズム実装とよく対比される^[3]。

宣言的パラダイムは、関数型、論理型、データフローなどを包括し、データベース問い合わせ言語、マークアップ言語、ドメイン固有言語、構成管理、正規表現などにも言及されており、並行計算との親和性も特筆されている^[4]。

概要

宣言型プログラミングは、現行式枠外の外部状態への代入コマンド、および外部状態の現行式への影響（副作用）といった命令的な性質を持たないパラダイムとして定義されている。命令的性質のステートメントに対して、宣言的なプログラムの基本は式とされる。

コマンドと副作用を持つ命令的なオペレータ（手続き・関数・サブルーチン）は、計算内容のリスト化とステップ単位解釈が必要になるので、これがhow to accomplish it（どうなすべきか）とされる。

コマンドと副作用を持たない宣言的なオペレータは、その定義だけで計算内容を把握できるので、これがwhat to accomplish it（何をなすべきか）とされる。命令的オペレータを用いずに、宣言的オペレータを用いることが即ち宣言的なプログラムになる^[2]^[5]。式はオペレータ、オペランド、他の式、再帰式などの組み合わせになる。

宣言的パラダイムにあるべき特徴は以下のようになる。

計算を主に表示的意味論で記述する高水準言語
参照透過を担保できるように表現された副作用
計算そのものを計算対象にできるという高階なプログラム
数理論理学に準拠したプログラム^[6]

宣言的オペレータの性質である参照透過性は、同じ引数に対するオペレータの動作と返り値が不変であることを意味する^[7]。

式は単体で評価されるほか、引数に適用されて評価値（返り値）になる。式はほかへの引数にもなり、高階論理の式は他の式を引数にする。微分の導関数と同様に、式の返り値を式にすることもできる。引数や返り値にもできる式は、第一級オブジェクトとされる。

SQLのクエリは「どのようなデータが欲しいか」を宣言し、「いかにしてデータベースにアクセスするか」という命令・手続きには関与しない。関数型言語の多くは、コマンドと副作用の取り扱いも許容している命令型と宣言型の折衷になっている。純粋関数型言語は宣言的に徹しており、プログラム正当性の形式的検証を可能にしている^{[注釈 2]}。加えて副作用は常に失敗する可能性と隣り合わせだが、宣言型プログラミングでは副作用の使用を制限し、純粋なコードから分離することで、失敗への対処漏れがあったとしても問題点を突き止めやすくなるというメリットもある。宣言型の最大の特徴である形式的検証に対して、命令型ではクラスやオブジェクトを宣言的フレームワークに内包して局面的な宣言的オペレータにしてその動作を検証することがある。JavaテストフレームワークJUnitなどが例である。

宣言型は並行プログラミングとの親和性が高いことも特筆される。これはセマフォやミューテックスや読み書きロックなどを駆使して同期的な並行性を実現することが多い命令型に対するアドバンテージである。宣言型は、式としてのプロセスを代数として扱えるので、その代数を他のプロセスへの引数としてのメッセージにしつつ、部分計算や評価戦略を応用しての非同期な並行性を実現できる。

利点

計算式の抽象値化

参照透過な計算式は、時と場所に左右されない抽象値にもなる^[8]。いつどこで計算されても同じ引数に対して同じ結果が返るならば、あえて計算しないままにしておいての抽象値として扱おう^[9]とするのが宣言型のアプローチである。この概念の実装例はクロージャである。クロージャは、他の式や関数の束縛変数にされることが前提のレキシカルスコープ基準の無名関数である。

もう一つの実装例は、宣言的な関数オブジェクトである。そこでは処理＋返り値の青写真になる不変部分と、引数で決定される処理＋返り値の可変部分が明確に分離されている。宣言型は、段階的詳細化した各要素を不変部分と可変部分の構成体にすることをアプローチする。これに準拠した技術の仮想DOMは、XMLやHTML文書を変換したツリー構造の各ノードを、不変＋可変構成の宣言的オブジェクトに再変換している^[10]。その不変部分は不変状態と同義になり、しばしばイミュータブルの概念で説明される。

計算の最適化

宣言的UIは、命令的なオブジェクト指向UI（OOUI）と対比されて一長一短があるが、軽量さと再描画速度での利点が挙げられやすい。徹底的な遅延結合を旨とするOOUIでは、何かの更新イベントが発生する度に、UI要素間のメソッドの呼び合い（メッセージ）とUI要素それぞれの総合的な再解釈が行われがちである。宣言的UIでは、各UI要素は青写真としての不変部分を持ち、可変部分に適用される引数はメモ化されていて、同じ引数が渡された場合は計算スキップされる^[11]。更新イベントは各UI要素への引数に変換されて、差異引数を渡されたUI要素だけが再解釈されるので再描画計算量は軽減されやすい^[12]。そこでは以前の描画状態を鑑みる必要はない^[13]。このようにしなくていい計算を明確化して全体の最適化に繋げるのが宣言型のアプローチである。

また、宣言的構造は不変部分と可変部分が明確に区分けされるので、何もかもが遅延結合のミュータブルになりがちなオブジェクト/メッセージ構造よりも平易かつ明瞭になるという利点もある。

未来要素を内包した計算

参照透過な計算式は、次以降の式で確定される未来要素（前方参照や遅延評価）を残したままの結果値を返すこともできる。その結果値とは、次以降の式で引数が与えられることを前提にした第一級関数になる。それは次以降の式で確定される前方参照要素を残したままの未評価式であり、次の式の束縛変数にされるか、式枠外の変数に束縛されて保存されるなどして、次以降の式から渡される引数によって最終的な結果値になる。

宣言型は、次以降の式で確定される前方参照要素を残したままの抽象値の取り扱いをアプローチする。その実装例にはFutureなどがある。それらを高度に応用した数学理論が並行プログラミング分野のアクターモデルやプロセス代数である。

また宣言型は、前方参照要素を残した抽象値同士をそのまま計算することもアプローチする。そこでは部分評価や部分計算などの数学理論が用いられる。制約プログラミングはそれらに準拠している。

副作用を排した純粋な計算

参照透過な計算式では、式枠外の状態（データなど）は完全に無視される。計算式が外部状態を扱えるのは、それが引数として渡された時のみである。その引数を加工した返り値は、そのままではただのデータであり、それが外部状態に反映されるかは式枠外のプロセスの担当になる。また、参照透過な計算式は、式枠内にも可変の状態（データなど）を持つことはできない。可変の内部状態に依存した計算ではその冪等性が失われるからである。これらの性質は純粋関数とも呼ばれる。

例として、押すたびにオン/オフが切り替わる電気スイッチ・オペレータがあるとする。命令的オペレータでは現状のオン/オフを状態保存できるので、別途変数を参照するという形式で、オペレータとオン/オフ状態をユニット実装できる。これに対して宣言的オペレータでは、引数として渡されたオン/オフ状態を参照するという形式になり、そこではオペレータとオン/オフ状態を別々に扱うことになる。これだけだと宣言的の方が、ただ煩雑に見える。しかしその”状態”に、オン/オフだけでなく昼夜の区別やアンペア許容やその他諸々の要素が加わっていくと、そうではなくなるというのが宣言型のアプローチである。

その時に必要な対象値と”状態”をセットにしての純粋関数を実現する手法としては、部分構造論理由来のサブ構造型システムと、圏論由来のモナドなどがある。

状態の分離

宣言型プログラミングでは宣言部分と状態を分離できる。なぜなら宣言部分ではあるべき状態を宣言するため、その前にどうなっていたかは無関係であるからである。例えば「廊下の電気はONである」と宣言した場合、現在の廊下の電気がONであれOFFであれ、（宣言された）なるべき状態はONであり、現在の状態とは無関係である。すなわち宣言型プログラミングでは時間と共にどう変わるか（=状態）を宣言部分で考える必要がなくなる^[14]。

もし命令型プログラミングを用いて「廊下のスイッチを押す」という命令をコーディングして廊下の電気を制御した場合、実行後の電気がONかOFFかは現在の値に依存する。ゆえに出力を予測するには状態の履歴を知っている必要がある。そして状態の履歴を知るためには、状態を操作しうる他のコードを把握し、その操作履歴を知る必要がある。ON/OFFの2状態ならまだしも、多数の状態が相互作用する多数のオブジェクトから操作される場合、状態の予測は著しく困難になり、デバッグを含めたプログラミングが難しくなりうる。一方で宣言型プログラミングの場合、宣言部分は状態履歴を必要としないため、宣言部分の出力は常に明確である。

注意点として、状態は分離されているのであり、状態が消滅したわけではない。宣言型プログラミングの場合、light変数にてあるべきライトの状態 "ON"/"OFF" を保持しておき、現在の時刻に基づいてlight変数を切り替え、それが「廊下の電気は{light}である」という宣言に反映されて実際に廊下の電気がONになるというような形になる。light変数という状態は存在しており、これが宣言部分と分離され、宣言部分は最新のlight変数が示す今の電気があるべき状態のみを反映した（過去の電気状態履歴とは無関係な）形になっている。命令的プログラミングで問題となった予測の困難さは、light変数の履歴予測の困難さに分離されている。light変数を誰がいつ操作したかは依然として追跡の難しい問題であるが、宣言部分が分離されたことで問題の所在が限局したものになっている。

宣言型言語の例

宣言型に準拠したプログラミング言語

関数型 - Erlang、Haskell、LISP
論理型 - Prolog、Concurrent Prolog、GHC、Mercury
制約 - Oz、Constraint Handling Rules

宣言型に準拠したドメイン固有言語

XSLT は、XML文書の変換のためのチューリング完全な宣言型言語
SQL は、関係データベースのクエリのための宣言的要素を持つ。チューリング完全。
Nix Expression Language
Dhall

宣言型を適用したフレームワーク各種

脚注

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注釈

^ ここでは純粋関数を要求しているが、宣言型プログラミングは純粋関数型言語に限定されないことに十分な注意を要す
^ 副作用を完全に排除してしまうと、大抵の場合はコンピュータ言語として機能しなくなる（画面への表示やファイルなどへの読み書きも副作用とされているので、実行結果を得ることすらできない）ので、参照透過性だけを保証して副作用を許容している。

出典

^ Lloyd, J.W., Practical Advantages of Declarative Programming
^ ^a ^b "what declarative programming is. Intuitively, it is programming by defining the what (the results we want to achieve) without explaining the how (the algorithms, etc., needed to achieve the results). " P. Van Roy and S. Haridi (2001). コンピュータプログラミングの概念・技法・モデル. p.117.
^ “declarative language”. FOLDOC (2004年5月17日). 2020年1月26日閲覧。
^ Sebesta, Robert (2016). Concepts of programming languages. Boston: Pearson. ISBN 978-0-13-394302-3. OCLC 896687896
^ 「宣言的記述を行う高水準言語の主要なお題目は『どうやって計算するか(How)ではなく, 何を計算するか(What)を記述する』というものである.」（近山隆「ソフトウェアの30年とこれから」『コンピュータソフトウェア』第31巻第2号、日本ソフトウェア科学会、2014年、9頁、CRID 1390282679715495936、doi:10.11309/jssst.31.2_8、ISSN 0289-6540。）
^ Chakravarty, Manuel M. T. (14 February 1997). On the Massively Parallel Execution of Declarative Programs (Doctoral dissertation). Technical University of Berlin. 2015年2月26日閲覧。In this context, the criterion for calling a programming language declarative is the existence of a clear, mathematically established correspondence between the language and mathematical logic such that a declarative semantics for the language can be based on the model or the proof theory (or both) of the logic.
^ "We say the operation is declarative if, whenever called with the same arguments, it returns the same results independent of any other computation state." P. Van Roy and S. Haridi (2001). コンピュータプログラミングの概念・技法・モデル. p.113.
^ 時間軸と何が起きたかを意識せずに宣言的に記述できる sonatard. (2019) 宣言的UI. p.37
^ Here is the critical thing. We no longer need to think about how our UI changes over time. What happens is, when we get in the data, we show what it should look like. We show what the next state is. And then framework controls how to get from one state into the other. And so now we no longer need to think about it. And that's the critical piece. Leland Richardson (2019-10-24) "Understanding Compose (Android Dev Summit '19)"
^ "programming concept where an ideal ... representation ... is kept in memory and synced with the “real” DOM by a library ... This approach enables the declarative API ... : You tell React what state you want the UI to be in, and it makes sure the DOM matches that state. This abstracts out the attribute manipulation, event handling ..." React. Virtual DOM and Internals.
^ "declarative UI ... works by conceptually regenerating the entire screen from scratch, then applying only the necessary changes." Thinking in Compose. Jetpack Compose.
^ "React provides a declarative API so that you don’t have to worry about exactly what changes on every update." React. Reconciliation.
^ 前回のViewの状態に依存せずに、最終的に描画されるViewを宣言的に記述できる sonatard. (2019) 宣言的UI. p.37
^ Here is the critical thing. We no longer need to think about how our UI changes over time. What happens is, when we get in the data, we show what it should look like. We show what the next state is. And then framework controls how to get from one state into the other. And so now we no longer need to think about it. And that's the critical piece. Leland Richardson (2019-10-24) "Understanding Compose (Android Dev Summit '19)"

参考文献

Declarative language in The Free On-line Dictionary of Computing, Editor Denis Howe.
Relational language in The Free On-line Dictionary of Computing, Editor Denis Howe.
Logic programming in The Free On-line Dictionary of Computing, Editor Denis Howe.
Functional programming in The Free On-line Dictionary of Computing, Editor Denis Howe.
sonatard. (2019) 宣言的UI. builderscon Tokyo 2019