JP7468209B2 - プログラム生成装置、プログラム生成方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、プログラム生成装置、プログラム生成方法及びプログラムに関する。

近年、社会全体のＩＴ化が進む一方で、ＩＴ人材の不足が大きな問題となっている。経済産業省の試算によると、２０２５年には約３６万人のＩＴ人材が不足すると予測されている。特に専門的な知識を必要とする実装工程におけるＩＴ人材の不足は喫緊の課題であり、自動でプログラミングを行う自動プログラミング技術の研究開発が求められている。

従来、自動プログラミング技術としては、ユーザがプログラムの入出力例を与え、それを満たすようにプログラムの部品を合成する技術が有る。

例えば、非特許文献１には、入出力例とプログラムの部品の関係性を学習し、与えられた入出力例に対して使用される確率の高いプログラムの部品を推定して、当該部品をプログラムの合成に用いることで、効率的なプログラム合成を実現する技術が開示されている。

Matej Balog, Alexander L. Gaunt, Marc Brockschmidt, Sebastian Nowozin, Daniel Tarlow、 " DeepCoder: Learning to Write Programs" Proceedings of ICLR'17、［online］、インターネット＜URL：https://www.microsoft.com/en-us/research/publication/deepcoder-learning-write-programs/＞

しかしながら、入出力例は、プログラムが満たす仕様の一例にすぎず、情報量が少ないといった欠点がある。そのため入出力例にオーバーフィッティングしたプログラムが生成されてしまうことがあり、ユーザの所望するプログラムが生成されないという課題が存在する。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、所望のプログラムが生成される可能性を高めることを目的とする。

そこで上記課題を解決するため、プログラム生成装置は、１以上のプログラム部品をランダムに組み合わせて複数の合成プログラムを生成する生成部と、前記生成部が複数の合成プログラムを生成するたびに、前記複数の合成プログラムの内容を順番に可視化する可視化部と、可視化された全ての前記合成プログラムについてユーザによって所定の指示が入力されない場合に、前記合成プログラムが１以上の入力値及び出力値の組を満たすか否かを判定する判定部と、を有し、前記生成部は、可視化された前記合成プログラムについてユーザによって前記所定の指示が入力された時点で、前記１以上のプログラム部品をランダムに組み合わせて複数の合成プログラムを再生成し、前記可視化されたいずれかの合成プログラムが前記１以上の入力値及び出力値の組のうちのいずれかの組を満たさない場合には、可視化された合成プログラムの一部を変更して複数の合成プログラムを再生成する。

所望のプログラムが生成される可能性を高めることができる。

本発明の実施の形態におけるプログラム生成装置１０のハードウェア構成例を示す図である。 本発明の実施の形態におけるプログラム生成装置１０の機能構成例を示す図である。 プログラム生成装置１０が実行する処理手順の一例を説明するためのフローチャートである。 プログラム部品リストの一例を示す図である。 入出力例セットの一例を示す図である。 合成コードの変更処理によって生成される合成コードの一例を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるプログラム生成装置１０のハードウェア構成例を示す図である。図１のプログラム生成装置１０は、それぞれバスＢで相互に接続されているドライブ装置１００、補助記憶装置１０２、メモリ装置１０３、ＣＰＵ１０４、インタフェース装置１０５、表示装置１０６、及び入力装置１０７等を有する。

プログラム生成装置１０での処理を実現するプログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ等の記録媒体１０１によって提供される。プログラムを記憶した記録媒体１０１がドライブ装置１００にセットされると、プログラムが記録媒体１０１からドライブ装置１００を介して補助記憶装置１０２にインストールされる。但し、プログラムのインストールは必ずしも記録媒体１０１より行う必要はなく、ネットワークを介して他のコンピュータよりダウンロードするようにしてもよい。補助記憶装置１０２は、インストールされたプログラムを格納すると共に、必要なファイルやデータ等を格納する。

メモリ装置１０３は、プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置１０２からプログラムを読み出して格納する。ＣＰＵ１０４は、メモリ装置１０３に格納されたプログラムに従ってプログラム生成装置１０に係る機能を実現する。インタフェース装置１０５は、ネットワークに接続するためのインタフェースとして用いられる。表示装置１０６はプログラムによるＧＵＩ（Graphical User Interface）等を表示する。入力装置１０７はキーボード及びマウス等で構成され、様々な操作指示を入力させるために用いられる。

図２は、本発明の実施の形態におけるプログラム生成装置１０の機能構成例を示す図である。図２において、プログラム生成装置１０は、プログラム合成部１１、合成プログラム実行部１２、可視化部１３及び入出力結果判定部１４を有する。これら各部は、プログラム生成装置１０にインストールされた１以上のプログラムが、ＣＰＵ１０４に実行させる処理により実現される。

以下、プログラム生成装置１０が実行する処理手順について説明する。図３は、プログラム生成装置１０が実行する処理手順の一例を説明するためのフローチャートである。

ステップＳ１０１において、プログラム合成部１１は、例えば、補助記憶装置１０２に記憶されているプログラム部品リストの中の１以上のプログラム部品を、例えば、ランダムに組み合わせて合成することで、複数（Ｎ個）のプログラムのソースコード（以下、「合成コード」という。）を生成する。

図４は、プログラム部品リストの一例を示す図である。図４に示されるプログラム部品リストのデータ構造をＢＮＦ（Backus-Naur form）記法に基づく形式によって記すと以下の通りである。
＜プログラム部品リスト＞：：＝プログラム部品＋
すなわち、プログラム部品リストは、１以上のプログラム部品（のソースコード）を含む。図４では、定数とメソッドとにプログラム部品が分類されている。ここで、１つの定数が１つのプログラム部品に相当し、１つのメソッドが１つのプログラム部品に相当する。すなわち、図４において破線で囲まれた単位が、１つのプログラム部品の単位に相当する。

ステップＳ１０１では、ランダムに複数のプログラム部品を選択し、当該複数のプログラム部品を合成することで１つの合成コードを生成するといった処理がＮ回繰り返される。その結果、Ｎ個の合成コードが生成される。なお、プログラム部品の合成とは、複数のプログラム部品の計算が組み合わされることをいい、例えば、非特許文献１に記載された技術等、公知技術を用いて行うことができる。例えば、各プログラム部品を、演算子を親ノードとし、当該演算子による演算対象である変数、定数、又は演算子を子ノードとする木構造によって表現し、いずれかのプログラム部品の木構造のノードを、他のプログラム部品の木構造によって置換することで、これらのプログラム部品を合成することができる。なお、合成コードは、プログラム部品と同様に、値を入力とし、入力された値に関する計算を実行し、値の計算結果を出力するといった定義を含む。

続いて、合成コードごとにステップＳ１０２～Ｓ１０５を含むループ処理Ｌ１が実行される。以下、ループ処理Ｌ１において処理対象とされている合成コードを「対象コード」という。

ステップＳ１０２において、合成プログラム実行部１２は対象コードのプログラム情報（例えば、対象コードの内容そのもの）を可視化部１３へ入力すると、可視化部１３は、対象コードの内容をユーザに対して可視化する。可視化の方法は、所定の方法に限定されない。例えば、表示装置１０６に合成コードが表示されてもよい。

ユーザは、可視化された対象コードを参照して、対象コードを所望のプログラムの合成元として利用可能か否かを判定する。すなわち、プログラムの合成がユーザの所望する方向に合成が進んでいるか否かが判定される。

例えば、正方形の面積を求めるプログラムを生成したいとする。ユーザが、後述される入出力例として、入出力例セット［１→１，２→４］（入力値が１の場合、出力値が１であり、入力値が２の場合、出力値が４）を与えたとする。この場合、ｘ×ｘというプログラムが出力されるべきである。しかし、合成過程において［ｉｆ（ｘ＝＝１） ｒｅｔｕｒｎ １］という合成コードが生成された場合、入出力例セットを１つ満たすため、当該合成コードをベースに合成が繰り返されることになる。それにより、［ｉｆ（ｘ＝＝１） ｒｅｔｕｒｎ １； ｅｌｓｅ ｒｅｔｕｒｎ ４；］といった入出力例は満たすが正しくないプログラムが生成されうる。このような問題を防ぐためには、［ｉｆ（ｘ＝＝１） ｒｅｔｕｒｎ １］という合成コードができた時点で合成をリセット（再実行）するべきである。

したがって、ユーザは、対象コードがこのような正しくない合成コードであるか否かを確認する。対象コードが合成元として適切でない場合（すなわち、合成をリセットすべきである場合）、ユーザは、合成のリセット指示を入力する。一方、対象コードが合成元として適切である場合、ユーザは、合成の継続指示を入力する。

合成のリセット指示が入力された場合（Ｓ１０３でＹｅｓ）、可視化部１３は、プログラム合成部１１に対してリセット指示を入力する。その結果、ステップＳ１０１以降が再実行され、合成コードが再生成される。

一方、合成のリセット継続指示が入力された場合（Ｓ１０３でＮｏ）、合成プログラム実行部１２は、対象コードをコンパイル及びリンク等することで、実行形式のプログラム（以下「合成プログラム」という。）を生成する（Ｓ１０４）。

続いて、合成プログラム実行部１２は、当該合成プログラム（以下「対象合成プログラム」という。）に対し、予め用意されている入出力例セットに含まれる各入出力例を入力して対象合成プログラムを実行し、入出力例ごとに出力を得る（Ｓ１０５）。入出力例セットは、入出力に関して生成対象のプログラム（以下「対象プログラム」という。）が満たすべき条件を示す情報であり、例えば、予め設定されて補助記憶装置１０２に記憶されている。

図５は、入出力例セットの一例を示す図である。図５に示される入出力例セットのデータ構造をＢＮＦ記法に基づく形式によって記すと以下の通りである。
＜入出力例セット＞：：＝＜入出力例＞＋
＜入出力例＞：：＝＜入力例＞＜出力例＞
＜入力例＞：：＝入力値＋
＜出力例＞：：＝出力値＋
すなわち、入出力例セットは１以上の入出力例を含む。１つの入出力例は入力例及び出力例の組である。入力例とは１以上の入力値をいい、出力例とは１以上の出力値をいう。

例えば、入出力例セットに含まれる入出力例がＭ個である場合、合成プログラム実行部１２は、ステップＳ１０５において、Ｍ個の入力値ごとに当該入力値を入力として対象合成プログラムを実行し、Ｍ個の出力値を得る。

ループ処理Ｌ１が終了すると、入出力結果判定部１４は、全ての出力値が、当該出力値に対応する入力値が属する入出力例の出力例に一致する合成プログラムの有無を判定する（Ｓ１０６）。すなわち、ループ処理Ｌ１において処理対象とされた合成プログラムの中で、ステップＳ１０５において得られた全ての出力値が期待通りであった（正しかった）合成プログラムの有無が判定される。

該当する合成プログラムが無い場合（Ｓ１０６でＮｏ）、プログラム合成部１１は、合成コードの変更処理を実行する（Ｓ１０７）。合成コードの変更処理では、元の合成コード（すなわち、可視化された合成コード）の一部を変更して、複数（Ｎ個）の合成コードが生成（再生成）される。合成コードの一部の変更には、例えば、遺伝的アルゴリズムが用いられてもよい。すなわち、前世代の合成コードに対してＮ回の遺伝的操作が行われて、Ｎ個の次世代の合成コードが生成されてもよい。ここで、Ｎは、遺伝的アルゴリズムの一世代における個体（ソースコード）の個数である。この際、遺伝的アルゴリズムの適用対象とされる各合成コードは、例えば、演算子を親ノードとし、当該演算子による演算対象である変数、定数、又は演算子を子ノードとする木構造によって表現され、木構造の部分木が遺伝的操作の対象とされる。Ｎ回の遺伝的操作において対象とされる個体の選択のための評価には、出力値の合格率（出力値が正解だった割合）が用いられてもよい。

また、突然変異において前世代の合成コードの一部に置き換わる候補として、例えば、プログラム部品リストに含まれるプログラム部品が用いられる。

図６は、合成コードの変更処理によって生成される合成コードの一例を示す図である。図６に示されるように、１回の合成処理によってＮ個の合成コードが生成される。

なお、遺伝的アルゴリズムを用いたプログラムの合成処理には、ＤＥＡＰ（https://deap.readthedocs.io/en/master/）等、既存のライブラリを用いられてもよい。

続いて、Ｎ個の合成コードについてループ処理Ｌ１以降が実行される。したがって、この場合、ステップＳ１０２～Ｓ１０５はたかだかＮ回実行される。

一方、ステップＳ１０６の条件を満たす合成プログラム（以下、「入出力合格プログラム」という。）が１以上有る場合（Ｓ１０６でＹｅｓ）、ループ処理Ｌ１が終了し、ステップＳ１０８へ進む。すなわち、ループ処理Ｌ１では、予め生成された入出力例を満たすプログラム生成されるまで合成コードの一部の変更が繰り返される（合成コードが一部ずつ累積的に変更される）ことで、入出力例セットを満たすような入出力合格プログラムが自動生成される。

ステップＳ１０８において、入出力結果判定部１４は、当該入出力合格プログラムのソースコード（合成コード）を出力する。すなわち、当該入出力合格プログラムが、対象プログラムであると判定される。なお、入出力合格プログラムが複数有る場合、それぞれの入出力合格プログラムのソースコードが出力されればよい。

上述したように、本実施の形態によれば、合成過程（合成途中）において、合成コードが可視化されることで、プログラムの合成がユーザの所望する方向に進んでいるかについての確認の機会をユーザに与えることができる。この機会において、ユーザによって合成の継続が指示された場合に、合成プログラムの生成が継続される。したがって、本実施の形態によれば、所望のプログラムが生成される可能性を高めることができる。また、無駄な合成処理（不適切な合成元に基づく合成）が回避されるため、プログラムの生成を効率化することができる。

なお、本実施の形態において、プログラム合成部１１は、生成部及び再生成部の一例である。入出力結果判定部１４は、判定部の一例である。合成のリセット指示は、所定の指示の一例である。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ プログラム生成装置
１１ プログラム合成部
１２ 合成プログラム実行部
１３ 可視化部
１４ 入出力結果判定部
１００ ドライブ装置
１０１ 記録媒体
１０２ 補助記憶装置
１０３ メモリ装置
１０４ ＣＰＵ
１０５ インタフェース装置
１０６ 表示装置
１０７ 入力装置
Ｂ バス

Claims (5)

1. １以上のプログラム部品をランダムに組み合わせて複数の合成プログラムを生成する生成部と、
   前記生成部が複数の合成プログラムを生成するたびに、前記複数の合成プログラムの内容を順番に可視化する可視化部と、
   可視化された全ての前記合成プログラムについてユーザによって所定の指示が入力されない場合に、前記合成プログラムが１以上の入力値及び出力値の組を満たすか否かを判定する判定部と、
   を有し、
   前記生成部は、可視化された前記合成プログラムについてユーザによって前記所定の指示が入力された時点で、前記１以上のプログラム部品をランダムに組み合わせて複数の合成プログラムを再生成し、前記可視化されたいずれかの合成プログラムが前記１以上の入力値及び出力値の組のうちのいずれかの組を満たさない場合には、可視化された合成プログラムの一部を変更して複数の合成プログラムを再生成する、
   こと特徴とするプログラム生成装置。
2. 前記可視化部は、前記合成プログラムの内容を表示装置に表示する、
   ことを特徴とする請求項１記載のプログラム生成装置。
3. １以上のプログラム部品をランダムに組み合わせて複数の合成プログラムを生成する生成手順と、
   前記生成手順が複数の合成プログラムを生成するたびに、前記複数の合成プログラムの内容を順番に可視化する可視化手順と、
   可視化された全ての前記合成プログラムについてユーザによって所定の指示が入力されない場合に、前記合成プログラムが１以上の入力値及び出力値の組を満たすか否かを判定する判定手順と、
   をコンピュータが実行し、
   前記生成手順は、可視化された前記合成プログラムについてユーザによって前記所定の指示が入力された時点で、前記１以上のプログラム部品をランダムに組み合わせて複数の合成プログラムを再生成し、前記可視化されたいずれかの合成プログラムが前記１以上の入力値及び出力値の組のうちのいずれかの組を満たさない場合には、可視化された合成プログラムの一部を変更して複数の合成プログラムを再生成する、
   こと特徴とするプログラム生成方法。
4. 前記可視化手順は、前記合成プログラムの内容を表示装置に表示する、
   ことを特徴とする請求項３記載のプログラム生成方法。
5. 請求項３又は４記載のプログラム生成方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。

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