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システムソフトウェア

q. q. システムソフトウェア. 第２回：２００７年１０月１０日（水）. q. q. 本日学ぶこと. 計算機のための言語 プログラミング言語，自然言語，形式言語 正規表現，パターンマッチ， Emacs などでの利用 BNF 記法. ことば（言語）の分類. 人同士でコミュニケーションをとるのは，日本語，英語，フランス語，ドイツ語，エスペラント語 … 自然言語 人から計算機にまとまった指示を出すのは， C ， FORTLAN ， COBOL ， Java… プログラミング言語 （計算機言語）

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Presentation Transcript

  1. q q システムソフトウェア 第２回：２００７年１０月１０日（水） q q

  2. 本日学ぶこと • 計算機のための言語 • プログラミング言語，自然言語，形式言語 • 正規表現，パターンマッチ，Emacsなどでの利用 • BNF記法

  3. ことば（言語）の分類 • 人同士でコミュニケーションをとるのは，日本語，英語，フランス語，ドイツ語，エスペラント語…自然言語 • 人から計算機にまとまった指示を出すのは，C，FORTLAN，COBOL，Java…プログラミング言語（計算機言語） • 「計算とは？」を理論的・フォーマルに記述するのは，数式，集合，関係，論理，…形式言語

  4. 自然言語とは • 人間が日常的に使っている言語のこと． • 計算機言語や形式言語よりも，多様性に富んでいる． • 誤用であっても，聞き手（読み手）が正しく解釈する． • 新語が社会で使われていき，いくつかは辞書に載る．

  5. プログラミング言語とは • ソフトウェアの設計図に当たるソースコードを記述するための人工言語．「計算機言語」ともいう． • インタプリタ型を除き，計算機はソースコードを直接実行できないので，コンパイラやアセンブラによって実行ファイルを生成し，そのファイルで実行する． • 人間が計算機に命令を指示するという目的がある． • 自然言語に比べて，曖昧さが非常に少ない． • 言語仕様は，言語設計者が決める． • 関連語 • アルゴリズムは，計算機が処理する手順を定めたもので，通常，自然言語または擬似言語で書かれる．

  6. 形式言語とは • 数学的かつ厳密に議論するために使用される人工言語． • 「形式」は，「形だけの」ではなく「フォーマルな」の意味． • 有限個の情報をもとに，規則を有限回適用して得られる情報は何か（一般に無限集合）を考える． • 次のような問題に対して，理論的な観点で検討できる． • sinθ+cosθ=2のとき，sinθcosθの値は？ • 人間同士でうまくコミュニケーションが取れるのはなぜか？ • プログラムが停止する（無限ループに陥らない）ことを事前に知るようなプログラムは作れる？

  7. 正規表現：はじめに • ニーズ • レポートに書いている文書で「和大」をすべて「和歌山大学」に変更しないといけない．見落とさずに，すべて書き換えられるかな？ • 2006年1月だったか2007年1月だったか，作ったファイル，どこだ…． • 正規表現を学び，活用することで • 膨大な文書からでも，関心のある箇所を見つけることができる． • 日本語で表すと煩雑になる「条件」を，「パターン」で簡潔に記述できる．

  8. パターンマッチとは • パターン "やまだ" は • 「"や" "ま" "だ" が連続して並ぶ」を意味する． • "わかやまだいがく" にマッチする． • "やまだたろう" にマッチする． • "むらかわたけひこ" にはマッチしない． • パターン "和.*大" は • 「"和"のあと0個以上の文字を挟んで"大"がある」を意味する． • "和歌山大学" にマッチする． • "和大" にマッチする． • "和歌山県にある和歌山大学" にマッチする． • "大和" にはマッチしない．

  9. 正規表現のメタ文字 • メタ文字は，特別な意味を持つ文字のこと • a など，特別な意味を持たず，文字がそのままの意味になるものを「リテラル」という． • メタ文字の例 • . …任意の１文字 • + …１回以上の繰り返し • *…0回以上の繰り返し • ? …1回または0回（あってもなくてもよい） • [ ] …中の一つ • ^ …先頭 • $ …末尾 • 「\メタ文字」で，メタ文字自身を表す．

  10. メタ文字を利用した正規表現の例 • "200[67]-01"は，"2006-01" または "2007-01" を含む文字列にマッチする． • "200[5-7]-01"は，"2005-01"，"2006-01" または "2007-01" を含む文字列にマッチする． • "^Hello" も "World$" も，"Hello World" にマッチする． • "Wi*" は，"W"，"Wii"，"Wiiiiiiiiiiiiiiiiiiii" など（を含む文字列）にマッチする． • "Wii+" は，"W" と "Wi" にはマッチしないが， "Wii"，"Wiiiiiiiiiiiiiiiiiiii" など（を含む文字列）にマッチする． • "(Wi)+" は，"Wi"，"WiWi"，"WiWiWi"，…など（を含む文字列）にマッチする．

  11. 正規表現が利用可能なソフトウェア • grep，sedなどのテキスト処理ツール • AWK, Perl, Python, Rubyなどのプログラミング言語 • ed，vi，Emacsなどのテキストエディタ • Emacsの例： M-x replace-regexp [Enter] \?$ [Enter] ! [Enter]で，行末の ? をすべて ! に変換する． • Linuxのシェルなどで使用可能な「ワイルドカード」とは異なる．

  12. 理論と実用とで異なる正規表現 • 計算機上では • パターン01*は，"0", "01", "011", "0111", …のほか，それらを含む文字列（"10101" など）にもマッチする． • 多くのプログラミング言語で，パターンは /01*/のように表記される． • ^01*$と書けば， "0", "01", "011", "0111", … に限定される． • 理論では • 正規表現01*は，0, 01, 011, 0111, …からなる言語（語の集合）に対応づけられる．10101 はこの集合に属さない．

  13. 構文図式 • パターン "Wi" • パターン "Wi*" • パターン "(Wi)*" W i W i "Wi"

  14. BNF記法とは • バッカス・ナウア記法（Backus-Naur Form）とも書かれる． • （計算機向けの）文法を定義する記法の一つ • ALGOL 60というプログラミング言語の定義で用いられた • XMLの構文定義にも使用されている • 理論的には，文脈自由文法（第３回授業で解説予定）と関連 • 変種 • EBNF (Extended Backus-Naur Form)では，正規表現と同様に，反復などが使用可能 • ABNF (Augmented BNF)というのもある

  15. BNF記法による表記の例（１） 縦棒（パイプともいう） コロン，コロン，イコール • 数字 • <digit> ::= "0" | "1" | "2" | "3" | "4" | "5" | "6" | "7" | "8" | "9" • 「数字とは，"0", "1", …, "9" のいずれかである．」 • 数字列 • <digit-sequence> ::= <digit> | <digit> <digit-sequence> • 「数字列とは，一つの数字であるか，一つの数字と一つの数字列を連結したものである．」 • <digit-sequence>を定義する際に，<digit-sequence>自身を使用している…「再帰的な定義」という • "12345" や "00321" などが該当する

  16. BNF記法による表記の例（２） • 非ゼロ数字 • <digit-nonzero> ::= "1" | "2" | "3" | "4" | "5" | "6" | "7" | "8" | "9" • 符号なし整数 • <unsigned-integer> ::= <digit> | <digit-nonzero> <digit-sequence> • 符号 • <sign> ::= "+" | "-" • 整数 • <integer> ::= <sign> <unsigned-integer> | <unsigned-integer>

  17. BNF記法，EBNF記法と構文図式 • <digit-sequence> ::= <digit> | <digit> <digit-sequence> • <digit-sequence> ::= <digit> {<digit>} digit digit-sequence {…} は0回以上の反復 再帰が不要！ digit digit digit

  18. BNF記法による表記の例（３） • 自然言語への適用 • <主語> ::= "私" | "あなた" | "彼" | "彼女" | "それ" • <主格助詞> ::= "は" | "が" | "も" • <動詞> ::= "勉強する" | "食事する" | "遊ぶ" • <文> ::= <主語> <主格助詞> <動詞> • "私は勉強する"，"それも食事する" など，5×3×3 = 45通りの文例が作れる．

  19. BNF記法をどう使う？ • 文法が適切に定義されているか，想定していない文字列が含まれていないかを，設計者らが検証する． • 先ほどの例では，"0777" は数字列ではあるが，符号なし整数ではないし，整数でもない． • 構文解析により，入力文字列を計算機内部で処理しやすい形に変換する． • ソフトウェアはBison/Flexが有名 • 詳細は，第４回以降の講義や，「データ構造とプログラミング技法」の授業などで学んで欲しい

  20. まとめ • プログラミング言語，正規表現，BNF記法などは，人の思考（自然言語，あやふやなアイデア）と計算機（指示通りに厳格に処理する）を仲介する人工言語である． • 正規表現は，すでにあるテキスト情報から該当箇所を探すのに使う． • BNF記法は，「情報の形（構文）」を計算機向けに定義するのに有用である．

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