11.カプセル化と情報隠蔽で部品の完成度を高める

新人エンジニア研修で知っておきたいカプセル化の使い方

なぜ、カプセル化の理解が重要なのか、その理由。

この記事では、弊社の新人エンジニア研修の参考にJavaを解説します。

前回は継承（拡張）について解説しました。今回はカプセル化について解説します。

カプセル化はデータ隠蔽とセットなのでデータ隠蔽についてもお話しします。これらもオブジェクト指向特有の概念です。

カプセル化とは、オブジェクトのデータとそれに関する処理を一つの単位（クラス）にまとめ、データを外部から直接操作されないようにする仕組みです。オブジェクト指向はプログラムを部品と考えて、その部品の組み合わせで大きなプログラムを作るのです。物理的なモノの世界では車のエンジンユニットだけを交換する、デスクトップパソコンの電源ボックスだけを取り替えるということが可能です。例えば、車でもパソコンでも関連する部品は近くに配置されていますね。物理的なモノの場合は、距離の問題がありますから、関連の近いものを、近いところに並べるというのは自然です。しかし、情報の世界はそうではありませんから、気をつけないとグチャグチャになりがちです。そこでカプセル化が重要になります。

データ隠蔽とは、クラスの内部データに対する直接的なアクセスを制限し、外部からの不正な変更を防ぐ仕組みです。私たちは個々の部品、車やパソコンの中身（やそのデータ）に直接触れることができるでしょうか？もちろん、強引にやれば可能ですが（良い子の皆さんはぜひ試してみてください）保証適用外になりますね。逆に言えば、中身に直接触れさせないことによって部品と更には皆さんを守っていると言うこともできます。このイメージがデータ隠蔽です。

この記事では、カプセル化にデータ隠蔽の意味も含めて解説します。

この章のゴールは、以下のクラスに付いていたprivateとpublicの違いが説明できることです。

package chap01;

import java.util.Random;

public class Kazuate {

	private int answer;
	private String message;

	public Kazuate() {
		Random random = new Random();
		this.answer = random.nextInt(10); // 0～9 の乱数
	}
	
	private void setMessage(String message) {
		this.message = message;
	}
	
	public String getMessage() {
		return message;
	}

	public void checkAnswer(int guess) {
		if (answer == guess) {
			setMessage("あたり");
		} else if (answer > guess) {
			setMessage("もっと大きいよ");
		} else {
			setMessage("もっと小さいよ");
		}
	}

	public int getAnswer() {
		return answer;
	}
}

1.カプセル化の意義

カプセル化とは「関連する」情報と処理を一つのクラスにまとめることでした。

「今まで作ったクラスはどれもメンバとしてフィールドとメソッドを持っているのでカプセル化ができている」新人エンジニアであるあなたは、そう思ったかもしれません。

ポイントは“関連する”というところです。

例えば次のような一台のノートパソコンを表すクラスはどうでしょうか？

class LaptopPc{
　int id;
　String name;
　String companyName;
　String companyAddress;
　String companyTelephoneNumber;
　・・・
}

IDと名前までは良いとしても会社名や会社住所、会社電話番号などはLaptopPcクラスが持つべきデータではないですね。以下のようにCompanyクラスを別途作りLaptopPcはCompanyオブジェクトを持つべきでしょう。

class Company {
    String name;
    String address;
    String telephoneNumber;
}

class LaptopPc {
    int id;
    String name;
    Company company;
}

クラスの設計の考え方には単一責任の原則というものがあります。

この原則は、

変更する理由が同じものは一つのクラスに集める
変更する理由が違うものは別のクラスに分ける
一つのクラスはそのクラスを利用する人に対してだけ責務を負う

という考え方です。

上記の例では会社の住所や電話番号を取得するにもLaptopPcクラスに問い合わせるということになってしまいます。また、社名が変更になった場合や会社が引っ越した場合にはLaptopPcクラスを修正することになってしまいますね。

2.データ隠蔽の意義

データ隠蔽の意義は、不用意にデータに触らせないことにあります。

ここでは、オリジナルなクラスにデータ隠蔽を施してみましょう。

例えば、カジノゲームを作成するとします。プレイヤー（Player）は最初にチップの残高（balance）を1,000持ってゲームスタートです。プレイヤーはこの残高からチップを引き出すことができますが、残高がマイナスになることはできません。

それを表現したのが以下のExample03です。

package chap11;

public class Player {

   private int balance = 1000;

   public void withdraw(int amount) {
        if ((balance - amount) < 0) {
            System.out.println("残高不足です");
        } else {
            balance -= amount;
            System.out.println("現在の残高です：" + balance);
        }
    }
}

package chap11;

public class Example01 {

    public static void main(String[] args) {
        Player p1 = new Player();
        
        p1.withdraw(200);
        p1.withdraw(1000);
    }
}

＜実行結果＞

現在の残高です：800
残高不足です

このようにデータ隠蔽を使ってフィールドの値を守ることができるのです。

他のプログラマ（含む将来のあなた自身）に設計者が意図しない操作をさせない、それがデータ隠蔽の効果です。

また、フィールドにアクセスするためのメソッドをアクセサメソッド【accessor method】といいます。

Javaの基本的なクラス設計には、フィールドはprivate、メソッドはアクセサメソッドとして、publicにするというものがあります。

アクセサメソッドを使ったサンプルプログラムとして、足し算電卓のクラスを作成してみます。あくまで説明のためのサンプルですので冗長でまどろこしい処理ですがご容赦ください。(本来であればnum1,num2はコンストラクタで初期化すべきでしょう。)

つまり、このように「フィールドの値を更新するときには必ずメソッドを使って更新し、フィールドには直接アクセスできなくすること」がデータ隠蔽です。公開すべきものと非公開にすべきものを明確に分け、公開したものだけを使ってプログラミングをするようにプログラマに促しているのです。

以下のCalculatorはフィールドはprivate、メソッドはpublicにしている例です。

package chap11;

public class Calculator {

    private int num1, num2;

    public int add() {
        return this.num1 + this.num2;
    }

    public int getNum1() {
        return num1;
    }

    public void setNum1(int num1) {
        this.num1 = num1;
    }

    public int getNum2() {
        return num2;
    }

    public void setNum2(int num2) {
        this.num2 = num2;
    }
}

例題

上記Calculatorクラスを以下の3つの方法で実行（例えば1＋2を計算する）しなさい。

Calculatorクラスにメインメソッドを作成して実行
package chap11にCalculatorTestクラスを作成して実行
testパッケージを作成し、その中にCalculatorTestクラスを作成して実行

アクセサメソッドもIDEで簡単に挿入できますので試してみてください。後でWebアプリケーションを学ぶ際に活躍しますので、お楽しみに。

※ここでは、メソッドは無条件にpublicにすべきとしているように感じられるかもしれません。しかし、本当は違います。メソッドをprivateにした方が良い場合も存在します。例えば、同じクラスからしか使わないメソッドはprivateにします。メソッドをpublicにするデメリットは、そのメソッドを使う他クラスがあった場合にメソッドのインプット・アウトプットを変更しづらくなってしまうということが挙げられます（依存性の問題）。余計な公開はしないというのがデータ隠蔽の考え方です。また、アクセサメソッドはデータ隠蔽を無効にする作用があります。むやみに作るべきではありません。

※また、クラスの外から値を参照はできるが変更はされたくないフィールドには、getterのみ実装し、setterは実装しない、ということもよくあります。このお話は、またWebアプリケーションのところで出てきます。

3.アクセス修飾子

private 修飾子は、他のクラスからアクセスできない（不可視）という意味です。このように、他のクラスからインスタンス変数を隠すことを「データ隠蔽」といいました。また、修飾子とは、クラス、フィールド、メソッドの性質を指定するものをいうのでした。その中でも特に、アクセスを制御するためのものをアクセス修飾子と呼びます。

フィールドとメソッドのアクセス修飾子をアクセス範囲の狭いものから広いものの順に並べて一覧にすると下表11.1のようになります。

アクセス修飾子	アクセス範囲	クラス図での表記
private	同じクラス内からのみ	-
なし（package-private）	同じパッケージのクラスからのみ	~
protected	同じパッケージのクラス、または別パッケージであっても、そのクラスを継承したサブクラスから	#
public	どのクラスからもアクセスできる	+