言語処理ツール

このページでは、コンパイラやインタプリタなどの言語プロセッサの種類、コンパイルの5段階と最適化、リンクとライブラリ、makeがわかります。

一言で言うと：
- 人間が書いたプログラム（ソース）を、コンピュータが実行できる形にするまでの道具と手順の話。「翻訳する（コンパイラなど）」→「速く小さくする（最適化）」→「部品をつなぐ（リンク）」の流れ。

翻訳の道具いろいろ（言語プロセッサ）→ 翻訳の手順と工夫（コンパイル技法）→ 部品をつないで完成させる（リンク）

覚え方の軸
言語プロセッサ：プログラムを翻訳する道具
コンパイル技法：コンパイラは5段階で翻訳する
リンク（連係編集）：部品をつないで実行できる形にする
混同しやすいペア

覚え方の軸

言語プロセッサは「何から何へ変換するか」「いつ翻訳するか」で分ける：
- アセンブリ言語 → 機械語（アセンブラ）、高水準言語 → 機械語をまとめて（コンパイラ）、1命令ずつ翻訳しながら実行（インタプリタ）、高水準言語 → 別の高水準言語（プリプロセッサ）
コンパイラの手順は5段階、順番ごと覚える：
- 字句解析（単語に切る）→ 構文解析（文法チェック）→ 意味解析（意味と型のチェック、中間コード）→ 最適化 → コード生成
最適化は「速くする」か「小さくする」か：
- 速く＝計算を軽くする・呼出しやループを減らす、小さく＝ムダを削る・共通部分をまとめる、両方＝レジスタ割付・定数の畳込み
ライブラリは「いつつなぐか」で分ける：
- 実行前につなぐ（静的）⇔ 実行時につなぐ（動的・共有）
「本物か、まねか」：
- シミュレータ（ソフトで再現）⇔ エミュレータ（ハードで内部動作まで再現）

言語プロセッサ：プログラムを翻訳する道具

原始プログラム（ソースプログラム、ソースコード）：
- プログラミング言語で書いたプログラム。そのままでは実行できないので、変換する
言語プロセッサ：
- 原始プログラムを別の形に変換するソフトウェアの総称
主要な言語プロセッサ

名前	何をする？
アセンブラ	アセンブリ言語のプログラムを機械語に翻訳する
コンパイラ	高水準言語のプログラムをまとめてコンパイル（翻訳）し、機械語の目的プログラムを作る
インタプリタ	命令を1つずつ解釈し、そのつど翻訳しながら実行する（目的プログラムは作らない）
プリプロセッサ	ある高水準言語のプログラムを、別の高水準言語のプログラムに変換する。または、高水準言語に追加で定義した命令を、もとの高水準言語だけのプログラムに直す

例え：
- コンパイラは「本を丸ごと翻訳してから渡す翻訳家」、インタプリタは「1文ずつその場で訳す同時通訳」
高水準言語：
- 特定のコンピュータアーキテクチャに依存せず、効率よくプログラムを書ける言語
コンパイラの2種類
- セルフコンパイラ：
  - 今使っているコンピュータ（または同じアーキテクチャのコンピュータ）で実行できる目的プログラムを作る
- クロスコンパイラ：
  - 異なるアーキテクチャ（命令形式が違う）のコンピュータ用の目的プログラムを作る
セルフ開発：
- ソフトウェアを実行する機器と同じ機器で開発すること
クロス開発：
- 実行する機器とは別の開発専用の機器で開発すること（例：携帯電話用のプログラムをパソコンで開発する）
その他の言語プロセッサ
- ジェネレータ（生成系）：
  - 手続を書かなくても、入力・処理・出力の条件を引数（パラメータ）で指定するだけで、プログラムを自動生成する
  - UNIX系の字句解析ツールLexや、構文解析ツールYaccもジェネレータ
  - ドキュメンテーションジェネレータ：
    - ソースコード中の決まった形式のコメント文などから、プログラムのドキュメントを生成する。コードとドキュメントの一貫性を保ち、開発効率を上げる
- シミュレータ（実行系）：
  - 他のコンピュータ用のプログラムの命令を、解読しながら実行する。開発用のコンピュータで、ターゲットコンピュータの動きをソフト的に再現するだけ
- エミュレータ：
  - シミュレータと同じことをハードウェア（マイクロプログラム）で行うもの。内部動作まで模擬的に再現する

コンパイル技法：コンパイラは5段階で翻訳する

コンパイラの処理手順★：
- ソースプログラム（原始プログラム）→ 字句解析 → 構文解析 → 意味解析 → 最適化 → コード生成 → 目的プログラム（オブジェクトプログラム）
- 例え：
  - 英文和訳で、「単語に区切る（字句）→ 文法が正しいか見る（構文）→ 意味が通るか見る（意味）→ 訳を読みやすく整える（最適化）→ 清書する（コード生成）」

段階	やること
字句解析	文字の列を、変数名・演算子・予約語・定数・区切り記号などの、意味を持つ最小単位である字句（トークン）の列に分解する
構文解析	トークンを言語の構文規則に従って解析し、正しい文かを判定する。誤りがあれば文法エラー
意味解析	変数の宣言と使用の対応付けや、演算のデータ型の整合性チェックを行う。文の意味を解釈し、同じ意味の別の表現に直す。一般に、3つ組み、4つ組み、逆ポーランドなどによる中間コードを作る
最適化	処理時間や容量が少なくなるよう、変数のレジスタ割付や、不要な演算の省略などのプログラム変換（再編成）を行う
コード生成	目的プログラムとして出力するコードを作る

コンパイラの最適化手法（コンパイラに最適化レベルを指定できる）
- 実行速度からみた最適化（実行時間を短くする）
  - べき乗は乗算に、乗算は加算に変換する（例：x² → x×x、x×2 → x＋x）
  - ずっと更新されない変数は、定数で置き換える
  - 関数のインライン展開：
    - 関数を呼ぶ場所に、呼ばれる関数の中身を取り込んで、呼出し時間を節約する
  - ループの中で値が変わらない式は、ループの外に出す
  - ループアンローリング（ループ展開）：
    - ループの中の繰返し処理を展開して、毎回の終了判定の回数を減らす
    - 例：
      - 二重ループの内側を展開して一重ループにする。配列の初期化で、1回のループで複数の要素を初期化してループ回数を減らす（100回ループ → 1回で4個ずつ初期化すれば25回）
- コードサイズからみた最適化（プログラムを小さくする）
  - プログラムの冗長部分や不要・無用命令を取り除く
  - 変数の初期値や定数に共通部分があればまとめる
- 実行速度とコードサイズの両方からみた最適化
  - 変数をレジスタに割り当てる
  - 定数の畳込み：
    - 定数どうしの計算式を、計算結果で置き換える（例：x＝1＋2 を x＝3 にする）

リンク（連係編集）：部品をつないで実行できる形にする

リンク（連係編集）：
- コンパイラが作った目的プログラム（オブジェクトプログラム）に、使っているライブラリモジュールなど実行に必要なものをまとめ上げて、実行可能なプログラム（ロードモジュール）にすること
リンカ：
- リンクを行うプログラム
ロードモジュール（実行ファイル）：
- ローダによって主記憶にロードされ、実行される
ライブラリ：
- 多くのプログラムが共通に使う機能を部品にして、まとめたファイル
ライブラリの分類（リンクのタイミングと共有性で分ける）

種類	リンクするタイミング	特徴
静的ライブラリ	実行前（リンク時）に、各プログラムにリンクされる	他のプログラムと共有できない
動的ライブラリ	実行時に、必要に応じてリンク（マップ）して使う	主記憶にロードされ、複数のプログラムから同時に使えるので、主記憶の使用効率がよい
共有ライブラリ	プログラム起動時に主記憶にロードされ、その後は他のプログラムからも使える	UNIX系OSでは、動的ライブラリと区別される

静的リンクの例：
- main.c と sub.c をそれぞれコンパイル → main.o と sub.o → リンカが静的ライブラリと一緒にまとめる → ロードモジュール app
make（コンパイル・リンクの自動化ツール）：
- ソースプログラム、目的プログラム、実行ファイルの間の依存関係と、各ファイルの作り方を書いたmakeファイル（makefile）をもとに、コンパイルが必要なファイルを求め、最小の手順で実行ファイルを作る
- 修正するたびに全部をコンパイルするムダを省ける
- 例：
  - makefileに「app は main.o と sub.o に依存」「main.o は main.c に依存」「sub.o は sub.c に依存」と書いておく → sub.c だけ直したなら、sub.c だけをコンパイルして app を作り直す
- cc：
  - C言語コンパイラ。オプション「-o」で実行ファイルを作り、「-c」でコンパイルだけを行う。ライブラリのリンクを静的／動的のどちらにするかも指定できる

混同しやすいペア

コンパイラ（まとめて翻訳してから実行）／インタプリタ（1命令ずつ翻訳しながら実行）
アセンブラ（アセンブリ言語 → 機械語）／コンパイラ（高水準言語 → 機械語）／プリプロセッサ（高水準言語 → 別の高水準言語）
セルフコンパイラ（同じアーキテクチャ用）／クロスコンパイラ（違うアーキテクチャ用）
セルフ開発（実行する機器で開発）／クロス開発（別の機器で開発）
シミュレータ（ソフトで動きを再現）／エミュレータ（ハードで内部動作まで再現）
字句解析（トークンに切る）／構文解析（文法が正しいか）／意味解析（型のチェック、中間コード）
インライン展開（関数呼出しをなくす）／ループアンローリング（ループの終了判定を減らす）／定数の畳込み（1＋2を3にしておく）
静的ライブラリ（実行前にリンク。共有できない）／動的ライブラリ（実行時にリンク。共有できて主記憶の効率がよい）
リンカ（部品をつないでロードモジュールを作る）／ローダ（ロードモジュールを主記憶に載せる）
cc -c（コンパイルだけ）／cc -o（実行ファイルを作る）

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