情報システム概論 I
システム情報工学研究科CS専攻、電子・情報工学系
新城 靖
<yas@is.tsukuba.ac.jp>
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自分が書いたプログラムがプロセスとして実行されるまで、どのような要素が
働いているか理解する。
言語の分類
- 自然言語
- 人工言語
- 数学で使う表現
- 化学式
- コンピュータ言語
- プログラミング言語
- スクリプト言語
- マークアップ言語
- HTML
- SGML
- XML
- TeX, LaTeX
- roff
- マクロ言語
コンピュータ言語は、コンピュータにして欲しい動作を表現するもの。
さまざまな種類がある。シェルに対する命令も言語の一種。
言語には文法や語彙がある。
- 機械語、マシン語(machine language)
- コンピュータのハードウェア(CPU)が解釈できる命令の列。
０１の並びで表現される。
実行する時にはメモリに置かれる。
人間がメモリに０１を１つひとつ入れるのはたいへん。
- アセンブリ言語(assembly language)
-
機械語（０１）の並びでプログラムを作る変りに、命令、レジスタ、メモリの
番地に「名前」を付けて、人間が読み書きしやすくしたもの。
アセンブラというプログラムを使って機械語に変換する。
画面に「hello(改行)」と表示するプログラムの例。
行番号は説明用に付けたもの。実際には不用。
[write-hello.s]
#
# write-hello.s -- 画面に hello と表示するプログラム
#
.text
.align 2
.globl _main
_main:
li r3,1
addis r4,0,ha16(hellonl)
addi r4,0,lo16(hellonl)
li r5,6
li r0,4
sc
li r0,1
sc
hellonl:
.byte 104
.byte 101
.byte 108
.byte 108
.byte 111
.byte 10
- r0-r5 は、レジスタの名前。
- li は、load immediate の意味。load は、データのコピーや値のセット。
- sc は、システムコール（オペレーティング・システムの呼出し）の意味。
r0 にシステムコールの番号を入れる。
- 4 番のシステムコールは、writeシステムコールで、画面(1, r3) に
r4 番地で指定された所から r5 で指定されたバイト数だけ出力する。
- 1 番のシステムコールは、exitシステムコールで、
プロセスを終了する。
実行方法。
% cc write-hello.s ![[←]](../icons/screen-return.gif)
% ./a.out
hello
% ![[]](../icons/screen-cursor.gif)
アセンブリ言語について詳しくは、２年生の「機械語序論」で学ぶ。
システムコールについて詳しくは、３年生の「システムプログラム」で学ぶ。
初期のプログラミングは、機械語、または、アセンブリ言語で行われていた。
アセンブリ言語（機械語）は、機械にはわかりやすいが
人間にはわかりにくい。
- 高級言語(high level language)
- アセンブリ言語のように
ハードウェアの構造や機能に基づいたものではなく、
人が使う言葉や概念に基づいてプログラムを書くことができるもの。
アセンブリ言語を低レベル言語と言うこともある。
最初に開発された高級言語。1957年。
Formula Translation の略。
数式を機械語に変換する。
- コンパイル(compile)する
- 高級言語で書かれたプログラムを、よりハードウェアに近い他の言語に
変換すること。
- コンパイラ(compiler、翻訳系)
- コンパイルするためのプログラム
- ソース・プログラム(source program)
- コンパイラに与えるプログラム
- オブジェクト・プログラム(object program)
- コンパイラ（またはアセンブラ）が出力したプログラム
コンパイルしたオブジェクト・プログラムだけではまだ足りない。
次のものを付け足す（リンクする）して、実行可能(executable)になる。
- ライブラリ
-
プログラムの中でも基本的なもの、よく使われるものを、
個々のプログラムから独立させて、
さまざまなプログラムで共通で使えるようにしたもの。
- 実行時ルーチン
- オブジェクト・プログラムを実行する時に必要になるプログラム。
コンパイラは、実行時ルーチンをあてにしてして、変換する。
実行時ルーチンの例：高級言語には、掛算がある。CPUには、掛算命令がない。
コンパイラは、実行時ルーチンの掛算プログラムをあてにして、それを利用す
るためようなオブジェクト・プログラムを出力する。
注意：「ライブラリ」にはいくつかの意味がある。オペレーティング・システ
ムの文脈では、システムコールとライブラリを区別する。
- リンク、リンケージエディット
- ライブラリや実行時ルーチンをオブジェクト・プログラムに継ぎ足す
- リンカ、リンケージエディタ
- リンク作業を行うプログラム
図? ソース・プログラムらプロセスまで
cc コマンド (gcc コマンド) は、単なるコンパイラではなく、アセンブラや
リンカを実行する。
% cat -n today.c
1 #define TODAY "Monday"
2 main()
3 {
4 printf("Today is %s.\n",TODAY );
5 }
% cc today.c
% ./a.out
Today is Monday.
%
% cc -v today.c
% gcc -v today.c
Using built-in specs.
Target: powerpc-apple-darwin8
Configured with: /private/var/tmp/gcc/gcc-5247.obj~4/src/configure --d
isable-checking -enable-werror --prefix=/usr --mandir=/share/man --ena
ble-languages=c,objc,c++,obj-c++ --program-transform-name=/^[cg][^.-]*
$/s/$/-4.0/ --with-gxx-include-dir=/include/c++/4.0.0 --build=powerpc-
apple-darwin8 --host=powerpc-apple-darwin8 --target=powerpc-apple-darw
in8
Thread model: posix
gcc version 4.0.1 (Apple Computer, Inc. build 5247)
/usr/libexec/gcc/powerpc-apple-darwin8/4.0.1/cc1 -quiet -v -D__DYNAMI
C__ today.c -fPIC -quiet -dumpbase today.c -auxbase today -version -o
/var/tmp//cc1bbrh4.s
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/powerpc-apple-darwin8/4.0
.1/../../../../powerpc-apple-darwin8/include"
#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
/usr/local/include
/usr/lib/gcc/powerpc-apple-darwin8/4.0.1/include
/usr/include
/System/Library/Frameworks
/Library/Frameworks
End of search list.
GNU C version 4.0.1 (Apple Computer, Inc. build 5247) (powerpc-apple-darwin8)
compiled by GNU C version 4.0.1 (Apple Computer, Inc. build 5247).
GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
Compiler executable checksum: 293c7bb043389dbe08b10e2d17bba0c4
today.c: In function 'main':
today.c:4: warning: incompatible implicit declaration of built-in func
tion 'printf'
as -arch ppc -o /var/tmp//ccAQE1HQ.o /var/tmp//cc1bbrh4.s
/usr/libexec/gcc/powerpc-apple-darwin8/4.0.1/collect2 -dynamic -arch
ppc -weak_reference_mismatches non-weak -o a.out -lcrt1.o /usr/lib/gcc
/powerpc-apple-darwin8/4.0.1/crt2.o -L/usr/lib/gcc/powerpc-apple-darwi
n8/4.0.1 -L/usr/lib/gcc/powerpc-apple-darwin8/4.0.1 -L/usr/lib/gcc/pow
erpc-apple-darwin8/4.0.1/../../.. /var/tmp//ccAQE1HQ.o -lgcc -lSystemS
tubs -lSystem
%
図? ccコマンドの背後で動いているプログラム
プリプロセッサだけ動かして、結果を標準出力へ出す。
% cat today.c
#define TODAY "Monday"
main()
{
printf("Today is %s.\n",TODAY );
}
% cc -E today.c > today.i
% cat today.i
# 1 "today.c"
# 1 ""
# 1 ""
# 1 "today.c"
main()
{
printf("Today is %s.\n","Monday" );
}
%
Ｃ言語のプリプロセッサは、Ｃ言語そのものではなく、マクロプロセッサ。
- マクロ展開
- 定義に従い（単純な）文字列を（複雑な）文字列に置き換える
- マクロプロセッサ
- マクロ展開を行うプログラム
cpp コマンド（Ｃ言語のマクロプロセッサ）は、「#」で始まる行を解釈する。
% cpp today.c
# 1 "today.c"
# 1 ""
# 1 ""
# 1 "today.c"
main()
{
printf("Today is %s.\n","Monday" );
}
%
% cpp
#define apple orange
apple computer
^D
# 1 ""
# 1 ""
# 1 ""
# 1 ""
orange computer
%
Ｃプリプロセッサの機能
- マクロ展開(#define)
- 条件コンパイル(#if)
- ファイルの読み込み(#include)
マクロを多用すると、プログラムが読みにくくなる。
% cat macro.c
#include
#define begin {
#define end }
#define ever ;;
#define OR ||
main()
begin
int c ;
for(ever)
begin
if( (c=getchar()) == 'X' OR c == EOF )
break;
putchar(toupper(c));
end
end
% cc macro.c -o macro
% ./macro
aaa
AAA
X
%
アセンブラを実行しないで、アセンブリ言語のプログラムを .s ファイルに残
す。
% cat today.c
#define TODAY "Monday"
main()
{
printf("Today is %s.\n",TODAY );
}
% cc -S today.c
today.c: In function 'main':
today.c:4: warning: incompatible implicit declaration of built-in function 'printf'
% cat today.s
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.section __TEXT,__picsymbolstub1,symbol_stubs,pure_instructions,32
.machine ppc
.cstring
.align 2
LC0:
.ascii "Today is %s.\12\0"
.align 2
LC1:
.ascii "Monday\0"
.text
.align 2
.globl _main
_main:
mflr r0
stmw r30,-8(r1)
stw r0,8(r1)
stwu r1,-80(r1)
mr r30,r1
bcl 20,31,"L00000000001$pb"
"L00000000001$pb":
mflr r31
addis r2,r31,ha16(LC0-"L00000000001$pb")
la r3,lo16(LC0-"L00000000001$pb")(r2)
addis r2,r31,ha16(LC1-"L00000000001$pb")
la r4,lo16(LC1-"L00000000001$pb")(r2)
bl L_printf$stub
lwz r1,0(r1)
lwz r0,8(r1)
mtlr r0
lmw r30,-8(r1)
blr
.section __TEXT,__picsymbolstub1,symbol_stubs,pure_instructions,32
.align 5
L_printf$stub:
.indirect_symbol _printf
mflr r0
bcl 20,31,"L00000000001$spb"
"L00000000001$spb":
mflr r11
addis r11,r11,ha16(L_printf$lazy_ptr-"L00000000001$spb")
mtlr r0
lwzu r12,lo16(L_printf$lazy_ptr-"L00000000001$spb")(r11)
mtctr r12
bctr
.lazy_symbol_pointer
L_printf$lazy_ptr:
.indirect_symbol _printf
.long dyld_stub_binding_helper
.subsections_via_symbols
%
リンカを実行しないで、.o ファイルを作成した段階で止まる。
% ls today.*
today.c
% cc -c today.c
% ls today.*
today.c today.o
%
リンクは、ld というプログラムで行われることが多い(下の例は、collect2)。
% cc -v today.o -o a.out
Using built-in specs.
Target: powerpc-apple-darwin8
Configured with: /private/var/tmp/gcc/gcc-5247.obj~4/src/configure --d
isable-checking -enable-werror --prefix=/usr --mandir=/share/man --ena
ble-languages=c,objc,c++,obj-c++ --program-transform-name=/^[cg][^.-]*
$/s/$/-4.0/ --with-gxx-include-dir=/include/c++/4.0.0 --build=powerpc-
apple-darwin8 --host=powerpc-apple-darwin8 --target=powerpc-apple-darw
in8
Thread model: posix
gcc version 4.0.1 (Apple Computer, Inc. build 5247)
/usr/libexec/gcc/powerpc-apple-darwin8/4.0.1/collect2 -dynamic -arch
ppc -weak_reference_mismatches non-weak -o a.out -lcrt1.o /usr/lib/gcc
/powerpc-apple-darwin8/4.0.1/crt2.o -L/usr/lib/gcc/powerpc-apple-darwi
n8/4.0.1 -L/usr/lib/gcc/powerpc-apple-darwin8/4.0.1 -L/usr/lib/gcc/pow
erpc-apple-darwin8/4.0.1/../../.. today.o -lgcc -lSystemStubs -lSystem
%
様々なライブラリら実行時ルーチンが参照されている。
アセンブラは、アセンブリ言語で記述されたプログラムを
機械語に変換する。
逆アセンブラは、機械語をアセンブリ言語に戻す。
gdb (GNU Debugger) には、逆アセンブルの機能がある。
% cc -c today.c
today.c: In function 'main':
today.c:4: warning: incompatible implicit declaration of built-in function 'printf'
% ls -l today.o
-rw-r--r-- 1 yas prof 812 Jan 25 23:32 today.o
% gdb today.o
GNU gdb 6.1-20040303 (Apple version gdb-434) (Wed Nov 2 17:28:16 GMT 2005)
Copyright 2004 Free Software Foundation, Inc.
GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
Type "show copying" to see the conditions.
There is absolutely no warranty for GDB. Type "show warranty" for details.
This GDB was configured as "powerpc-apple-darwin"...
warning: Can't find LC_SEGMENT.__DATA.__data section in symbol file
(gdb) x/8x main
0x0 : 0x7c0802a6 0xbfc1fff8 0x90010008 0x9421ffb0
0x10 : 0x7c3e0b78 0x429f0005 0x7fe802a6 0x3c5f0000
(gdb) x/10i main
0x0 : mflr r0
0x4 : stmw r30,-8(r1)
0x8 : stw r0,8(r1)
0xc : stwu r1,-80(r1)
0x10 : mr r30,r1
0x14 : bcl- 20,4*cr7+so,0x18
0x18 : mflr r31
0x1c : addis r2,r31,0
0x20 : addi r3,r2,104
0x24 : addis r2,r31,0
(gdb)
Fortran と同時期に開発された高級言語。
以下は、Lisp の一種、Scheme での実行例。
% open "/Applications/PLT Scheme v301/DrScheme.app"
%
図? DrSchemeの画面(MacOSX)
- インタプリタ（通訳系）
- プログラム言語を（機械語に変換することなく）直接実行するプログラム
Lisp は、インタプリタで実行することが多いが、コンパイラもある。
プログラミング言語の２種類の動作方法の違い
- コンパイラを使う方法。
ソース・プログラムやコンパイラ自身は、プログラムが動作する時には不用。
- インタプリタを使う方法。
実行時に、インタプリタ自身が必要。インタプリタは、
プログラムを読み込み、（実行に都合のよい形で）メモリに入れる。
オブジェクト・プログラムは作られない。
- インタプリタで動作する（実行にコンパイル不用）。
- 何かアプリケーションやシステムの機能を増やす。
- パワーユーザ（プログラミング言語はできないかもしれない）も使う。
- 文字列操作に強い。
スクリプト言語の例
- シェル(sh,csh,bash,...)
- Perl
- Ruby
- Python
- Tcl
- PHP
- Emacs Lisp
- JavaScript
- Microsoft Visual Basic Script
- 手続き型言語(procedural language)、命令型言語(imperative language)
- 命令の実行を明示的に指示する手続きを単位としてアルゴリズムを記述する。
Fortran, Pascal, C言語など。
- オブジェクト指向言語
-
「オブジェクト」と呼ばれる小さなプログラム単位でプログラムを記述する。
「オブジェクト」は、人間（専門家）のようなもので、
「メッセージ」を交換して、仕事を進める。
オブジェクトの内部には、手続きとデータがあるが、外からは
内部がどうなっているかわからない。Java, C++, Smalltak など。
- 関数型プログラミング言語
- ラムダ計算や項書換えなどの理論に基づき、
関数を単位としてプログラムを記述する。
「関数」とは、引数（入力）を計算して値を得るもの。
Haskell, FP, Pure Lispなど。
- 論理型プログラミング言語
- 述語論理に基づいてプログラムを述語の集まりとして記述する。
プログラムを論理式として表わされ、プログラムの実行は論理式の証明。
Prologなど。
Sun Microsystems 社によって開発されたプログラミング言語。
コンパイラとインタプリタの２つを使って動作する。
- javac コマンド
- コンパイラ。Java ソースプログラムを読み込み、
「Javaバイトコード」と呼ばれる中間的なプログラムに変換する。
- java コマンド
- 「Javaバイトコード」を解釈実行する。
図? javac コマンドと java コマンド
% cat PrintHello.java
class PrintHello
{
public static void main(String args[])
{
System.out.println("hello");
}
}
% javac PrintHello.java
% ls PrintHello.*
PrintHello.class PrintHello.java
% java PrintHello
hello
%
javaコマンドは、「Javaバイトコード」を解釈実行する変りに、機械語にコン
パイルして実行することもある。このコンパイラは、Just in time (JIT) コ
ンパイラと呼ばれる。
バイトコードのインタプリタは、Java仮想計算機(virtual machine)とも呼ばれる。
バイトコードは、Java仮想計算機の機械語である。
２種類の仮想計算機
- 対応する実計算機がある。複数のオペレーティング・システムを
１つのハードウェアで動作させる。
- ハードウェアやオペレーティング・システムが
異なっていても、同一の「機械語」が動作するようなインタプリタ
Java仮想計算機を使うと、さまざまな種類ハードウェア(CPU)やオペレーティ
ング・システムで共通にバイトコードが使えるようになる。
図? 共通のバイトコードが使える
インタプリタ（仮想計算機）の大部分は、Ｃ言語で記述されている。
インタプリタ自身は、それぞのハードウェアの機械語にコンパイルされている。
javap コマンドは、逆アセンブラ（逆コンパイラ）。
% ls PrintHello.class
PrintHello.class
% javap -c PrintHello
Compiled from "PrintHello.java"
class PrintHello extends java.lang.Object{
PrintHello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3; //String hello
5: invokevirtual #4; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
}
%
Adobe社により仕様が定められた言語。
ページ・プリンタで動作することを意図して設計されている。
GhostScript (gsコマンド) は、PostScript インタプリタの１つで、結果を画面に出す。
PostScript は、逆ポーランド記法（後置記法）。日本語と同じ語順。
% gs
AFPL Ghostscript 8.54 (2006-05-17)
Copyright (C) 2005 artofcode LLC, Benicia, CA. All rights reserved.
This software comes with NO WARRANTY: see the file PUBLIC for details.
GS>1 2 add 3 mul =
9
GS>^D
1 に 2 を足し、3を掛けたものを表示。
% cat box.ps
%!
newpath
20 20 moveto
20 80 lineto
80 80 lineto
80 20 lineto
closepath
stroke
showpage
% gs -g200x200 box.ps
AFPL Ghostscript 8.54 (2006-05-17)
Copyright (C) 2005 artofcode LLC, Benicia, CA. All rights reserved.
This software comes with NO WARRANTY: see the file PUBLIC for details.
>>showpage, press to continue<<
GS>^D
%
図? GhostScript による PostScript プログラムの実行(画面表示)
- プログラムが自動的に生成される。（人間が思いつきでプログラムを作らなくてもよい。）
- 正規表現、オートマトン、字句解析
- 文脈自由文法、構文解析、意味解析
- 物の考え方が広がる
詳しくは、３年生の「プログラム言語処理系」などで学ぶ。
Last updated: 2007/01/29 17:40:43
Yasushi Shinjo / <yas@is.tsukuba.ac.jp>