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集合としてのデータ型(物理的・論理的な捉え方)

2022/07/08に公開

「データ型は値の集合として捉えることができる」とよく聞くのですが、どうしてもその考えが自分的にはしっくりきませんでした。データ型って結局はメモリスペースのことなのに、それをなぜ集合として考えることができるのでしょうか。この記事では「こんな風に考えると、データ型＝集合としてわかりやすくなるかも..」というのを書いてみます。（コードは主にHaskellを使っていきます。）

データ型とは？

そもそもデータ型とは何でしょうか。データ型とはこれから扱うデータの種類・大きさをコンピュータに伝える情報です。文字列/整数/小数/10桁/1万桁など、開発する人が扱う情報をコンピュータへ知らせる役割を持っています。

num1 :: Int
num2 :: Int
num1 = 10
num2 = 20
main = print $ num1 + num2

例えばこちらでは変数num1、num2にInt型を指定しています。int型は４バイト・整数を扱うとして、numが扱うデータに制限を加えます。このように変数・関数に対して扱うデータ型の種類を決める役割を果たしています。

なぜデータ型は必要？

ではなぜデータ型は必要なのでしょうか。プログラミングにおいてデータ型が重要な理由は３つあります。

１、計算可能なデータを定義するため
２、大きさを正確に把握するため
３、コードを読み書きしやすくするため

１、計算可能なデータを定義するため

例えば以下のような計算をすると多くの場合、エラーになりますよね。(10HelloWorldと出ることもありますが、それは置いておきます。)

10 + “HelloWorld”

Int型とString型の足し算という、データ型が一致しないモノ同士での計算だからです。一緒に計算できるデータ、一緒には計算できないデータ..という計算の種類を定義できます。

２、大きさを正確に把握するため

そもそもデータの種類・大きさによって必要なメモリスペースは異なります。10と100万では100万の方がたくさんスペースが必要になりますし、小数点以下は何桁か？何文字必要か？によっても違います。それぞれに合った形でデータを扱うために、データ型は必要となります。

３、コードを読み書きしやすくするため

データ型は「この変数ではこのようなデータを扱いたい！」と人間側へ情報を伝えることができます。ある意味ではプログラムの設計書とも言えます。データ型によって変数・関数の用途を指定することで、プログラムについての情報を伝えたり、あらかじめその内容を規定できます。データ型はコードを読み解く上で大切な「情報源」ともなります。

ビルディングから集合へ

ここまでデータ型とは何か？どんな目的があるか？といった基本を確認してきました。ここからデータ型の物理的・論理的な形に注目します。物理的にデータ型とはメモリスペースですが、論理的には集合として扱うことができます。２つの形態に注目します。

物理的な形：ビルディング

まず物理的なデータ型の形からです。データ型とは物理的にはメモリスペースのことを指します。私たちが変数を宣言した場合、このようなビルディングからスペースが確保されることとなっています。Int：４バイト、Char：１バイト..というように、データ型が宣言されるとその大きさ分、メモリスペースが確保されます。

どんな種類・性質のデータが入るかわからない

物理的な形としてはメモリスペースであることには間違いないですが１つ問題があります。それはそこに入るデータの種類・性質がわかりづらい点です。 例えばInt型で４バイトの大きさを確保することはわかったのですが、そこに入るデータの種類・性質は何でしょうか。整数、-2147483648~2147483647、10などが入る..といった、私たちがコードを書く上で最も大切な情報は分かりづらいですよね。

論理的：私たちが考えやすい

もっと私たちが扱いやすい/考えやすいようにすることはできないでしょうか。論理的なデータ型の形というのは、人間がもっと扱いやすい/考えやすいという意味です。そこでデータ型をメモリスペースではなく、集合として考えることにしました。（実際の形とはあくまで違う点に注意して下さい。）