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コンパイラの技術と関数電卓プログラム(2)

前半では、1文字の数字と簡単な演算子で表現される計算式を再帰下降パーサで計算する処理で、 演習を行った。

後半は、さらに実際のコンパイラに近いものとして、 C言語で広く使われている、字句解析ツール(lexical analyzer : lex or flex)、 構文解析ツール(parser : yacc or bison) を使って、 さらに現実的な関数電卓プログラムを作ってみる。

lex or flex による字句解析

lexは、字句解析のプログラムを自動生成するツール。 “%%”行の内側に、正規表現によるルールとその処理(アクション)を書き並べる。 また、“%{ … %}”の内側に、その処理に必要なC言語のソースを書き、 lex で処理を行うと、lex.yy.c というC言語のソースを出力する。

lex.yy.c の中には、yylex() という関数が自動的に作られ、構文解析ツールから呼び出される。

# flex は、lex の改良版。

(( mycalc.l ))
%{
#include <stdio.h>
// yaccが出力するヘッダファイル
#include "y.tab.h"

int yywrap( void )
{
   // 1: スキャナ終了
   // 0: yyin を切り替えて継続
   return 1 ;
}
%}
%%
"+"  return ADD ;
"-"  return SUB ;
"*"  return MUL ;
"/"  return DIV ;
"\n" return CR  ;
[0-9][0-9]* {
   // 入力はyytextに格納されている。
   int temp ;
   sscanf( yytext , "%d" , &temp ) ;
   yylval.int_value = temp ;
   // 返り値は、字句(トークン)の種別を表す定数
   return INT_LITERAL;
}
%%

このプログラムを、lex で処理させると、“+” 記号に ADD という定数記号を割り振るとか、数字列” [0-9][0-9]* “をみつけると、文字列から数値を生成(sscanf)して、その場合の記号に INT_LITERAL という定数記号を割り振る…といった処理のプログラムを生成してくれる。(INT_LITERALは構文解析側で定義する定数)

yacc or bison

yacc ( Yet Another Compiler Compiler ) もしくはその改良版の bison は、構文解析のプログラムを自動生成してくれるツールである。構文をBNF記法で記載すると、字句解析ツール(lex等)を呼び出しながら構文に合わせたトークンの出現に応じた状態遷移のための「遷移テーブル」を自動生成し、 その遷移テーブルを用いた処理のプログラムをC言語で出力してくれる。

字句解析プログラムは、様々なトークンとデータを返す。このデータには様々な場合考えられるので、 そのトークンに合わせたデータの型を “%union” の中に記載(C言語の共用体参照)する。 “%%”〜”%%” の間には、BNF記法の(ルール)と、それに対応する処理(アクションは“{ }”の中の部分)を記載する。最初の“%{ … %}”の間には、処理に必要なC言語を記載する。

# bison(水牛)は、yacc(山牛)の改良版。

(( mycalc.y ))
%{
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// yacc が定義する内部関数のプロトタイプ宣言
#define YYDEBUG 1
extern  int  yydebug ;
extern  int  yyerror( char const* ) ;
extern  char *yytext ;
extern  FILE *yyin ;

// 最初に呼び出される関数yyparse()
extern  int  yyparse( void ) ;

// 字句解析を呼び出す関数yylex()
extern  int  yylex( void ) ;
%}

// 字句(トークン)の定義
%union {
   int  int_value;
}
%token <int_value>  INT_LITERAL
%token ADD SUB MUL DIV CR
%type  <int_value>   expression term primary_expression

%%
// 構文の定義
line_list  : line                // 行の繰り返し
           | line_list line
           ;

line       : expression CR       { printf( ">>%d\n" , $1 ) ; }
           ;

expression : term
           | expression ADD term { $$ = $1 + $3 ; }
           | expression SUB term { $$ = $1 - $3 ; }
           ;

term       : primary_expression
           | term MUL primary_expression { $$ = $1 * $3 ; }
           | term DIV primary_expression { $$ = $1 / $3 ; }
           ;

primary_expression
           : INT_LITERAL
           ;
%%

// 補助関数の定義
int yyerror( char const* str )
{
   fprintf( stderr , "parser error near %s\n" , yytext ) ;
   return 0 ;
}
int main( void )
{
   yydebug = 0 ;        // yydebug=1 でデバッグ情報表示
   yyin = stdin ;
   if ( yyparse() ) {   // 構文解析を開始
      fprintf( stderr , "Error ! Error ! Error !\n" ) ;
      exit( 1 ) ;
   }
}

このプログラムを、yacc で処理すると、expression$1 ADD$2 term$3のルール「加算式($1) +($2) 乗算式($3)」という文になっている部分を見つけると、そのルールに対応するアクション“{ $$ = $1 + $3 ; }”「$1(加算式部分の値)と、$3(乗算式の部分)の値を加えて、$$(式の結果)を求める」といった処理を生成してくれる。yyparse() 関数を呼び出すと、構文の一番最上部の line_list に相当する処理が起動される。yyerror()は、構文解析の途中で文法エラーになった時に呼び出される関数。

生成されるパーサの内容に興味があるなら、生成される y.tab.c の内容を読むと良い。

make と Makefile

これらのプログラムでは、字句解析プログラム mycalc.l から生成された lex.yy.c, y.tab.h と, 構文解析プログラム mycalc.y から生成された y.tab.c を組合せて1つの実行ファイルにコンパイルする。 これらの手順は煩雑なので、make ツールを使う。

make は、 Makefile に記載されている“ターゲット”と、それを作るために必要な“依存ファイル”、 “依存ファイル”から”ターゲット”を生成する処理“アクション”から構成される。 make は、ターゲットと依存ファイルの更新時間を比較し、 必要最小限の処理を行う。

基本的な Makefile の書き方は、

ターゲット: 依存ファイル...
        アクション       # アクションの前はタブ

の様に書き、依存ファイルが更新されていたら、アクションを実行し、ターゲットを更新する。

以下に、今回の課題で使用する Makefile を示す。

(( Makefile ))
# 最終ターゲット
mycalc:	y.tab.o lex.yy.o
        gcc -o mycalc y.tab.o lex.yy.o

# 構文解析処理
y.tab.o: mycalc.y
        bison -dy mycalc.y	# -dy : yacc互換モード
        gcc -c y.tab.c

# 字句解析処理
lex.yy.o: mycalc.l mycalc.y
        flex -l mycalc.l        # -l : lex互換モード
        gcc -c lex.yy.c
clean:; rm mycalc y.tab.c y.tab.h lex.yy.c *.o

(( ファイルの依存関係のイメージ図 ))
mycalc.l           mycalc.y
  |     \           |
lex.yy.c  y.tab.h  y.tab.c
  |            \    |
lex.yy.o        y.tab.o
        \    /
         mycalc

この課題にあたり、後半の実験では flex, bison などの unix 系プログラミング環境を利用する。

macOS の利用者であれば MacPorts や、Windows 利用者であれば、wsl(Windows subsystem for Linux) などをインストールし実行すること。

今回の実験であれば、linux(Debian系)ならば、”sudo apt-get install flex bison gcc make” にて、必要なパッケージをインストールして実験を行うこと。

再帰下降パーサのサンプルコード

再帰下降パーサ・サンプル

授業でもやっていない再帰下読みの説明でもあり、 簡単なサンプルコードを示したいけど、Webで探しても全体的に大きなプログラムばかりで、 再帰関数をどう記述していくか解かりにくい。 ということで、+,-,*,/と数字1桁という条件で、字句解析無しのサンプルコードを書いてみた。

// 再帰下読みの基本の一番短いサンプル
//
//   字句解析は面倒なので、
//   演算子は1文字のみ、定数は数字1桁だけとする。

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>

// 括弧の無い +,-,*,/ だけの式の処理
//
//   今回は以下の構文だけとする。
//   以下のような文法の書き方をバッカス記法(BNF)と言う。
//
// exp_PLUS_MINUS ::= exp_MUL_DIV '+' exp_PLUS_MINUS
//                  | exp_MUL_DIV '-' exp_PLUS_MINUS
//                  | exp_MUL_DIV
//                  ;
// exp_MUL_DIV    ::= DIGIT '*' exp_MUL_DIV
//                  | DIGIT '/' exp_MUL_DIV
//                  | DIGIT
//                  ;
// DIGIT          ::= [0-9] ;

// 構文解析に使う関数のプロトタイプ宣言
int exp_PLUS_MINUS( char* , char** ) ;
int exp_MUL_DIV( char* , char** ) ;

// PLUS,MINUSだけの式
//   構文解析関数の引数
//   pc:   解析する文字列の先頭
//   endp: 解析が終わった場所
int exp_PLUS_MINUS( char* pc , char** endp ) {
   // left=乗除算式
   int left = exp_MUL_DIV( pc , endp ) ;

   if ( **endp == '+' ) {
      // right=加減算式
      int right = exp_PLUS_MINUS( *endp + 1 , endp ) ;
      return left + right ;
   } else if ( **endp == '-' ) {
      // right=加減算式
      int right = exp_PLUS_MINUS( *endp + 1 , endp ) ;
      return left - right ;
   } else {
      // 乗除算式を返す
      return left ;
   }
}

// MUL,DIVだけの式
//   DIGITに相当する構文木の処理は、組み込んでしまう。
int exp_MUL_DIV( char* pc , char** endp ) {
   if ( isdigit( *pc ) ) {
      // left=数値
      int left = *pc - '0' ;
      *endp = pc + 1 ;
      if ( **endp == '*' ) {
         // right=乗除算式
         int right = exp_MUL_DIV( *endp + 1 , endp ) ;
         return left * right ;
      } else if ( **endp == '/' ) {
         // right=乗除算式
         int right = exp_MUL_DIV( *endp + 1 , endp ) ;
         return left / right ;
      }
      // 数値を返す
      return left ;
   } else {
      printf( "Error\n" ) ;
      return 0 ;
   }
}

// 課題(1): () を含む処理にしたかったら、
//          BNF の構文木は、どう直すべきか?
// 課題(2): () を含む処理、空白を無視する処理、
//          定数式が複数桁を使える処理。

int main() {
   char* e = NULL ;
   printf( "%d\n" , exp_PLUS_MINUS( "1+2*3" , &e ) ) ;
   printf( "%d\n" , exp_PLUS_MINUS( "1*2+3" , &e ) ) ;
   return 0 ;
}

理解確認

  • このプログラムでは演算子は、右結合だろうか?、左結合だろうか?

コンパイラの技術と関数電卓プログラム(1)

コンパイラを作るための技術の基礎を学んでもらうために、 簡単な関数電卓プログラム作成を課題とする。 基本は、printf( “%d” , eval( “1+2*3”) ) みたいな計算プログラムを作成する。

計算式から、計算処理を行う場合、演算子の優先順位を正しく処理できることが求められる。
一般的には、計算の機械語を生成する場合、データを準備して計算という方法であり、 逆ポーランド記法変換が行われる。
たとえば、”1+2*3″は、”1,2,+,3,*” といった表記に改められ、変換後の式は スタックを用いて、「値はpush,演算子はpop,pop,計算して,push」という 単純なルールで処理すれば、計算を行うことができる。

字句解析と構文解析

このような、計算式の処理を実行する場合、”1“,”+“,”2“,”✳︎“,”3“という 字句に切り分ける処理を、字句解析という。 この結果から、”式✳︎式”なら掛け算、”式+式”は足し算といった、 前後の字句の組合せから、構文木を生成する処理は、構文解析という。 コンパイラであれば、この後、最適化コード生成などが行われる。

C言語であれば、コンパイル前後には以下の処理が行われる。

  • プリプロセッサ処理
    ↓(#の無いCコード)
  • コンパイル処理
    • 字句解析
    • 構文解析
    • コード生成

    ↓(中間コード)

  • リンク処理 ← ライブラリ
  • 機械語

字句解析と正規表現

字句(トークン)の切り出しでは、その文法を説明する際には、正規表現なども用いられる。

簡単な正規表現
 . 任意の文字
 * 直前の0回以上の繰り返し
 + 直前の1回以上の繰り返し
 [0-9a-z] カッコの中の文字のいずれか - は範囲を示す。
 (a|b|c) 丸カッコの|区切りのうちのどれか。
 (例) C言語の変数の正規表現 [a-zA-Z_][a-zA-Z0-9_]*

構文解析の方法

構文解析では、構文を状態遷移として考え、この式の後にくる可能性のある状態は? という考えで解析を行う。 このような構文は、一般的にバッカス・ナウア記法(BNF)などで表現されることが多い。 また、簡単な構文解析であれば、

などが用いられる。

再帰下降パーサ

簡単な再帰下降パーサの演習として、1桁の数字と+,*演算子の処理プログラムを 考える。

加減,乗除の式のバッカス記法(BNF)
exp_加減 ::= exp_乗除 '+' exp_乗除
          | exp_乗除 '-' exp_乗除
          | exp_乗除
          ;
exp_乗除 ::= DIGIT '*' exp_乗除
          | DIGIT '/' exp_乗除
          | DIGIT
          ;
DIGIT   ::= [0-9]
          ;

練習として、上に示す再帰下降パーサに、 (1) “(“,”)” を含めた場合の、BNF 記法を考え、(2) 数値として複数桁が使えるようにし、 (3) 式を読みやすくする空白を処理できるように 改造せよ。

専攻科実験・コンパイラと関数電卓プログラム作成

  • コンパイラの技術と関数電卓プログラム(1)
    • 課題
      • 複数桁の数字が使えること。
      • 式中に空白が使えること。
      • 何らかの演算子を追加すること。
        • (例) %,単項演算子のマイナスなど
      • 演算子が左結合か右結合か確認すること。
      • オプション課題
        • 変数が使えること。
          (変数名は1文字のA-Zといったもので良い)
    • レポート内容
      • コンパイラ技術の概要、課題(1)の説明・最終的なBNF記法・ソース・動作検証、考察
  • コンパイラの技術と関数電卓プログラム(2)
    • 課題
      • 基本的に、lex+yaccで(1)と同様の課題完成を目指す。
    • レポート内容
      • lex,yaccの概要、課題(2)の説明・ソース・動作検証、考察

SQLで集約関数と集合計算

基本的なSQL命令のための集約関数などの追加を説明のうえ、演習課題に取り組んでもらう。
来週も後半を演習時間とする予定。

特殊な条件演算子

WHERE 節の中で使える特殊な条件演算子を紹介する。

... AND ...
   WHERE S.業者番号 <= 100 OR S.業者番号 >= 200 ;
... OR ...
   WHERE S.業者番号 >= 100 AND S.業者番号 <= 200 ;
NOT ...
   WHERE NOT S.業者番号 >= 100 ;
... IN ...
   WHERE S.業者番号 IN ( 'S1' , 'S4' ) ;
... BETWEEN A AND B 
   WHERE S.優良度 BETWEEN 50 AND 100 ;
... LIKE ...
   WHERE S.業者名 LIKE 'A_C社' ;   _ は任意の1文字 ABC社 ADC社
   WHERE S.業者名 LIKE 'A%社' ;    % は任意の0~N文字 A社, AA社 ABC社
... IS NULL
   WHERE S.業者名 IS NULL
   WHERE S.業者名 IS NOT NULL

集約関数

集約関数は、SQL の SELECT の射影部分で使える関数で、出力対象となった項目に対して、COUNT(),SUM(),AVG()といった計算を行うもの。

COUNT() - 項目の数
SUM() -   項目の合計
AVG() -   項目の平均
MAX() -   項目の最大値
MIN() -   項目の最低値

SELECT COUNT(S.業者番号) FROM S WHERE S.優良度 > 20 ;

集合計算

複数の SQL の結果に対し、集合和, 集合積, 集合差などの処理を行う。

... UNION ...  集合和
... EXPECT ... 集合差
... INTERSECT ... 集合積

SELECT S.業者名 FROM S WHERE S.所在 = '福井'
UNION
SELECT S.業者名 FROM S WHERE S.所在 = '東京'

演習課題

SQLの実験環境を使って、自分で考えたSQLの命令を2つ実行すること。実行した命令とその意味を説明し、出力された結果と一致することを確認すること。

さらにこの実行と同じ結果が出力される様なC言語のプログラムを作成し、おなじく結果を確認すること。

考察として、SQLで書いたプログラムとCで書いたプログラムの違いや便利な点や、Cでのプログラムの速度を早めるにはどう書くと良いかを比較検討すること。