【ITニュース解説】Program verification is not all-or-nothing

プログラム検証とは、作成したプログラムが意図した通りに正しく動作することを数学的な手法を用いて証明する技術を指す。これは、単にプログラムを実行して動作を確認するテストとは根本的に異なるアプローチである。テストは、特定の入力に対してプログラムが期待通りに動くかを確認することで、バグの存在を示すことはできるが、バグが「存在しない」ことを完全に保証することはできない。一方でプログラム検証は、論理的な推論や形式的な分析を通じて、プログラムがどんな条件下でも仕様通りの振る舞いをすること、つまりバグが存在しないことを数学的に証明しようと試みる。これにより、システムの信頼性や安全性を極限まで高めることが可能となる。

しかし、このプログラム検証は、「全か無か」という極端な二択で語られることが多い。つまり、プログラム全体を完璧に検証するか、あるいは全く検証しないか、という二元論に陥りがちだ。だが、実際にはそうではない。ニュース記事のタイトルが示唆するように、プログラム検証は「全か無かではない」というのが実情であり、現実的な開発現場で活用する上での重要な視点となる。

なぜ「全か無かではない」のか。その最大の理由は、プログラム全体を完全に検証することの途方もない困難さと、それに伴う膨大なコストにある。現代のシステムは非常に複雑であり、数百万行、数千万行にも及ぶコードで構成されることが珍しくない。これらのコード一つ一つに対して数学的な証明を行うには、高度な専門知識を持つ技術者と、多大な時間、そして専用のツールが必要となる。結果として、プロジェクトの予算やスケジュールを大幅に超過してしまう可能性があり、現実的な選択肢とはなりにくいのが現状だ。そのため、多くの開発者は、その労力に見合うだけの大きな恩恵が得られないと判断し、プログラム検証を導入すること自体を諦めてしまうことがあった。

だが、プログラム検証の価値は、その完璧さだけにあるわけではない。重要なのは、システム全体を完璧に検証するのではなく、そのシステムの中で特に信頼性や安全性が求められる「重要な部分」に限定して検証を適用するという考え方だ。例えば、金融取引を扱うシステムであれば資産管理や決済処理のロジック、医療機器の制御ソフトウェアであれば患者の生命に関わる部分、あるいは航空機のフライトコントロールシステムなど、ごく一部のモジュールやアルゴリズムの誤動作が深刻な結果を招く可能性がある箇所に焦点を当てる。このようなクリティカルな部分にこそ、プログラム検証の真価が発揮される。限られた範囲であれば、コストと労力を現実的な範囲に抑えつつ、その部分の信頼性を飛躍的に向上させることが可能になるのだ。

さらに、プログラム検証には多様な「厳密さのレベル」があることも理解すべきだ。最も厳密なものは、完全な数学的証明を行う「定理証明」と呼ばれる手法だが、これ以外にも、特定のプロパティ（性質）が満たされているかを検証する「モデル検査」や、プログラムを実行せずにコードを分析して潜在的なバグを見つける「静的解析」、さらには強力な型システムを持つプログラミング言語を利用して、コンパイル時に特定のバグの発生を防ぐアプローチなども、広義のプログラム検証の一種と捉えることができる。これらはそれぞれ異なるコストと効果を持ち、プロジェクトの要件や予算に応じて最適なレベルを選択することが重要だ。

つまり、プログラム検証は、完璧な証明だけを目指すのではなく、開発プロセスのさまざまな段階や、システムの異なる部分に対して、適切なレベルと範囲で導入できるツールなのである。従来のテスト手法と組み合わせることで、開発全体の品質と信頼性を段階的に高めることも可能だ。例えば、CI/CD（継続的インテグレーション/継続的デリバリー）パイプラインに静的解析ツールや一部の形式検証ツールを組み込み、自動的にコードの品質チェックや特定の安全性の検証を行うことで、開発の初期段階からバグの混入を防ぎ、全体的な開発効率を向上させることができる。

システムエンジニアを目指す上で、このようなプログラム検証の「全か無かではない」という考え方を理解しておくことは非常に重要である。将来、どのようなシステム開発に携わることになっても、そのシステムの信頼性や安全性をどのように確保するかは常に問われる課題となる。プログラム検証という強力な技術が存在し、それが完璧を求めなくても十分に活用できる選択肢であることを知ることで、より堅牢で高品質なシステムを設計・開発するための新たな視点と手段を身につけることができるだろう。全てのコードを数学的に証明する必要はないが、重要なコードの信頼性を高めるために、この技術が現実的な選択肢となり得ることを心に留めておくべきである。