IoTに最も適したプログラミング言語

はじめに

こんにちは。SHOOです。今回は現役IoTエンジニアの私が、最もIoTに適した言語を紹介します！
IoTって具体的になんなのか、何が実現できるのか、何が要求されるのかを解説したうえで、もっとも適したプログラミング言語について考察します。

IoTの基本概念

最近、私たちの生活や産業の中で急速に広がりを見せている技術の一つが「IoT（Internet of Things、モノのインターネット）」です。IoTは異なるデバイスやシステムがインターネットを介して相互に通信し、データをやりとりすることを可能にする技術です。

IoTの基本原則は、物理的なデバイスやオブジェクトをネットワークに接続して、それらがデータをやりとりし、相互に制御可能であることにあります。これにより、新たなレベルの自動化やデータ収集が可能になり、様々な領域で効率が向上します。
例えば以下のような利用例で、IoT技術はすでに様々な場面で活躍しています。

利用例1. 工場における生産管理技術

IoTは工場において生産ラインのモニタリングや制御を可能にし、生産プロセスの最適化を実現しています。センサーが取得したデータをリアルタイムで解析し、問題が発生すれば即座に対応できるようになります。通信して収集したデータをトレーサビリティに活用することも可能です。これにより、製品の検査から製造ラインの効率改善まで、工場全体の生産性向上に寄与しています。

利用例2. 家庭用スマートデバイス

家庭では、スマートテレビ、スマート冷蔵庫、セキュリティカメラなどがIoT技術を活用しています。これらのデバイスがネットワークに接続され、ユーザーはリモートから制御やモニタリングが可能です。最新のAI技術と組み合わせ、冷蔵庫が食材を認識し、最適なレシピを提案するなど、家庭生活においてもIoTが革新的な変化をもたらしています。

IoT技術の構成要素

IoTを実現するために必要な要素や技術について解説します。デバイス、ネットワーク、クラウドサービス、データ処理など、IoTの基本的な構成要素について詳しく説明します。

IoTを実現するためには、複数の技術要素が協力して働いています。デバイス、通信ネットワーク、クラウドサービス、データ処理など、これらの要素を理解することがIoTの実装において重要です。

デバイス

IoTの中心に位置するのがデバイスです。これはセンサーやアクチュエータ、通信モジュールなどが含まれます。センサーは物理的なデータを収集し、アクチュエータは物理的なオブジェクトを動かすための信号を送ります。これらがデバイスとしてネットワークに接続され、データの収集と送信が可能になります。

通信ネットワーク

デバイスがデータを収集し、送信するためには信頼性のある通信ネットワークが必要です。IoTでは、無線通信(Wi-FiやBluetooth、ZigBee、特小無線)や有線通信(イーサネットやシリアル通信)が一般的に利用されます。これにより、遠隔地のデバイスからもデータを中央のサーバーやクラウドに送信できます。

クラウドサービス

IoTが大量のデータを扱う際、そのデータを安全かつ効率的に処理するためにクラウドサービスが重要な要素となります。クラウド上のサーバーはデータのストレージや処理、分析を担当し、必要に応じてデバイスへの指示を送ります。

データ処理

収集されたデータを意味のある情報に変換するためにデータ処理が欠かせません。データ処理は、収集された情報を解析し、必要な洞察を得るための手段を提供します。

セキュリティ

IoTデバイスや通信ネットワーク、クラウドサービスを結ぶ全体のエコシステムには、高いセキュリティが求められます。データの保護、プライバシーの確保、不正アクセスからの防御が重要な要素となります。

必要な技術の特徴と要求

IoTの発展には、様々な技術が要求されます。この章では、IoTにおける技術の特徴と要求に焦点を当て、どのような条件が満たされるべきかを探っていきます。

リソース効率

IoTデバイスは通常、制約のある環境で動作します。メモリや電力の効率的な利用が求められます。デバイスは少ないリソースで効果的な動作を行う必要があり、これがIoT技術の要求事項の一つです。

パフォーマンス

IoTシステムが要求される応答性は高く、時にエッジデバイスでの組み込みシステムではハードリアルタイム性が求められる場合もあります。サーバーシステムでもデータの収集や処理、応答において高いパフォーマンスが期待されます。

安全性

IoTデバイスは機密性の高いデータを取り扱います。時には顧客の個人情報やよりプライベートな情報などが扱われることもあります。セキュリティは最優先で、データの保護、プライバシーの確保、不正アクセスからの防御が不可欠です。
これらセキュリティを根底から支え、セキュリティ設計とともに重要なのは、メモリ安全性です。世にいう脆弱性というものの多くはメモリ破壊などメモリ安全性の崩壊がもたらしています。これが担保されて初めてセキュリティに関する設計が正しく機能するのです。

組み込みシステム開発サポート

IoTデバイスは組み込みシステムである場合も多く、極めて制約の強い環境での動作が要求されます。組み込みシステムと一言にいうと様々ですが、IoTデバイスではFreeRTOSなどのリアルタイムOSが活用されたり、OSレスのベアメタルプログラムといった場合も多いです。この主な理由はコストです。WindowsやLinuxなど高級なOSを積むには多くのRAM/ROM容量が必要です。場合によっては数万、数十万と同じ製品が作られるため、チップの値段は1円でも安くする必要があります。500円を超えるような基板は論外といった製品も多いです。

開発効率

IoTプロジェクトは迅速な開発が求められることが多いです。急速な市場変化やテクノロジーの進化、顧客の期待値上昇、データの価値の高まりなどがその主な要因です。また、IoT対応デバイスは、IoT非対応のデバイスと協調して動作するケースが多く、モジュール化(ハードウェアとしての部品化)が行われることが多いです。その場合、様々なデバイスと連携できるよう、多様なユースケースに柔軟に対応する必要があります。これらの要求に迅速かつ効果的に応えることが、成功と競争優位性の鍵となります。言語や開発環境が開発者に対して効率的なツールセットを提供できることが、プロジェクトの成功に不可欠です。

クロスプラットフォームサポート

IoTデバイスは前述のエッジコンピューティングにおける組み込みシステム以外にもサーバーアプリケーションなど様々なプラットフォームで動作するプログラムが組み合わさってシステム全体が機能します。また、開発中はテスト環境としてローカルマシン(普段使用しているPC環境)や、開発をサポートするツール開発などにもプログラムが活用されます。言語や開発環境がクロスプラットフォームをサポートしていることは重要です。

最適言語の考察

以上を踏まえ、最適なプログラミング言語に必要な要素は以下のようになります。

• リソース効率に優れること
• 高いパフォーマンス(実行速度)で動作すること
• メモリ安全性が確保されること
• 組み込みシステム開発をサポートしていること
• 開発効率に優れていること
• クロスプラットフォームでの開発がサポートされていること

これらそれぞれについて検討すると、D言語が候補として挙げられます。
以下に、D言語が優れている理由について記載いたします。

リソース効率

D言語は、C言語のような低レベルなメモリ制御を提供し、同時に高水準の抽象化も可能です。これにより、メモリの効率的な利用が可能であり、IoTデバイスが制約のある環境で動作する際に重要な要素となります。特にIoTデバイスの制約のある環境では、メモリの適切な利用が重要です。D言語はその点で優れており、開発者は自由度の高いプログラミングが可能です。
D言語ではガベージコレクション（GC）を使用することが一般的ですが、GCをオプトアウトすることも可能です ( @nogc や -betterC )。これは、厳しいハードウェア上の制約やハードリアルタイム性が求められる場合に対応できる柔軟性を提供します。
GCをオプトアウトした場合であっても、 scope (exit) や RAII 、 ライブラリベースの参照カウンタ 、ライフタイム管理 (DIP1000とその派生仕様)、未完成な機能ですが部分的な所有権・借用( @live )などリソース管理に役立つ機能が豊富に存在しています。

パフォーマンス

IoTシステムは高いパフォーマンスが求められます。エッジデバイスでの組み込みシステムではハードリアルタイム性が重視されることもありますし、サーバープログラムではCPU使用率やメモリ使用量、スループットについては常に注意を払う必要があります。D言語は、パフォーマンスには特に気を配っている言語で、コンパイル時実行関数(CTFE)やテンプレートなど豊富なメタプログラミングの機能や、コンパイラによる最適化、効率的なコード生成に優れ、高い実行速度を実現します。これにより、IoTデバイスが迅速にデータの収集や処理を行い、要求される応答性を確保することが可能です。
具体的にD言語のパフォーマンスがどの程度かというと、 D言語と同等のパフォーマンスを持つと言われている言語として、 C, C++, Rust が挙げられます。このグループは、全言語の中でも最速です。やや下に Go で、Python や Javascript (Node.js)はさらに遅いとされています。なお、動作するプログラムの処理内容などにより実行時間が大きくばらつきますが、場合によってはPython等スクリプト言語の100～300倍くらいの速度差が出る場合もあるようです。

メモリ安全性

IoTデバイスはユーザーのプライベートな情報や暗号化情報、ログイン情報をはじめとした機密性の高いデータを多く取り扱います。D言語はその安全性を確保するため、その基礎となるメモリ安全性をきわめて高レベルに確保しています。これは、セキュリティの面でも信頼性を高め、データの保護やプライバシーを確保することに寄与します。
例えば @safe という属性を持つ関数内では、メモリ破壊を行える行為を禁止することができ、あえて破ろうとしない限り自然とメモリ安全性が確保されたプログラムを書くことが可能です。

組み込みシステム開発サポート

D言語の組み込みシステム開発サポートには、以下の特徴があります。
D言語はLLVM系のコンパイラであるLDCやGNU系のコンパイラであるGDCを使用し、クロスコンパイルで組み込み向けの実行ファイルを作成することができます。 -betterC オプションを活用することで、C言語との互換性を高め、組み込みシステムに適した言語機能セットへの切り替えを可能にします。
また、組み込みシステムではハードウェアに近いローレベルな制御が求められることがありますが、D言語はポインタ演算やアセンブリ言語の組み込みなどの機能を提供し、容易にローレベルな制御を行うことが可能です。

開発効率

D言語は、IoT開発において開発効率を向上させる理想的な選択肢です。
柔軟なテンプレートメタプログラミングと高い構文の柔軟性により、ジェネリックなコードを簡単に生成し、再利用性を高めることができます。また、コンパイル速度が非常に高速なため、実装・コンパイル・テスト・デバッグのサイクルが短く、迅速な開発サイクルを実現し、効率的なプロジェクト進行をサポートします。
構文の柔軟性の高さと高速なコンパイル速度は、プロトタイピングにも向いています。PythonやRubyが得意とする分野ですが、D言語もまた、この分野で大いに活躍します。設計の検証を行って設計をブラッシュアップするのも得意とするところですし、システムテストのためのテストスクリプト、社内ツールの開発といった分野でも活躍します。
また、C/C++との類似性とシンプルな文法は、開発者にとって学習コストを低減させ、新しいメンバーが素早くプロジェクトに参加できる特長があります。

クロスプラットフォーム開発

IoT開発において、クロスプラットフォーム開発は重要な要素の一つです。D言語はその点で優れた特性を有しています。D言語は異なるプラットフォーム上でのコンパイルと実行が容易であり、Windows、Linux、Mac OS、組み込みのベアメタルなど、様々な環境で同じソースコードを利用できます。これは、エッジデバイスからサーバープログラム、ツール開発まで様々な用途に一貫してD言語が利用できることを意味します。
また、D言語の標準ライブラリは基本的にクロスプラットフォームで動作することを前提に作成されています。ネットワーク通信、ファイル処理、並行プログラミングなど、クロスプラットフォーム開発に必要な機能が標準で用意されており、開発者は異なるプラットフォームでの開発作業において、再利用可能で効率的なコードを書くことができます。
さらに、D言語はC言語との互換性があります。C++と同様に、C言語のソースコードをそのまま流用できる、ということです。これは既存のC言語のライブラリや既存のコードを容易に統合できることを示します。クロスプラットフォーム開発において、既存の資産を活用できることは大きな利点であり、D言語はその点で開発者に柔軟性と効率性を提供します。

まとめ

以上、IoTシステム開発に求められる要件とD言語が最適と考えられる特徴を詳しく見てきました。D言語はリソース効率、パフォーマンス、メモリ安全性、組み込みシステム開発サポート、開発効率、クロスプラットフォームサポートの全ての観点でIoT開発に最適な言語であることが分かります。
メモリ安全性と高速な実行性能を兼ね備え、組み込み開発だけでなくサーバーアプリケーション開発もサポートしているD言語こそ、IoT開発においてもっとも適した言語といえるでしょう。様々なIoTプロジェクトでの採用が期待されます。

おわりに

いかがでしたか？今回はちょっとイキったクソ記事感出すように文章調整してみました！
9割くらいAIが書いた文章ですが、ちゃんと私自身で校正して内容の妥当性を検証していますのでご安心ください！
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