コンパイラ (コンパイラ) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

コンパイラ (コンパイラ) の読み方

日本語表記

コンパイラ (コンパイラ)

英語表記

compiler (コンパイラ)

コンパイラ (コンパイラ) の意味や用語解説

コンパイラとは、プログラマが記述した高級プログラミング言語のソースコードを、コンピュータのプロセッサ（CPU）が直接実行できる機械語のプログラムに一括して変換するソフトウェアである。この変換作業を「コンパイル」と呼び、コンパイルによって生成された機械語のプログラムを「目的コード」または「オブジェクトコード」、最終的に実行可能な形式になったものを「実行可能ファイル」と呼ぶ。 コンピュータのCPUは、人間が理解しやすい「Hello, World!」のような文字列や、`int a = 10;`のような命令を直接理解することはできない。CPUが理解できるのは、0と1の羅列で表現される「機械語」と呼ばれる低水準な命令のみである。人間が機械語を直接記述することは非常に困難で非効率的であるため、C、C++、Java、C#、Goなどの「高級言語」を用いてプログラムを作成する。コンパイラは、この人間が記述した高級言語のプログラムと、CPUが理解できる機械語との間のギャップを埋める、重要な「翻訳者」の役割を担っている。 コンパイラは、ソースコード全体を最初から最後まで読み込み、文法や意味の誤りがないかを確認しながら、目的コードへと変換する。この一括変換という点が、プログラムを一行ずつ解釈・実行する「インタプリタ」と呼ばれる別の種類の翻訳ソフトウェアと大きく異なる点である。 コンパイルの過程は複数の段階に分かれている。 まず「字句解析」の段階では、ソースコードの文字列を、プログラミング言語上で意味を持つ最小単位である「トークン」に分解する。例えば、「`int sum = 0;`」というコードは、「`int`」というキーワード、「`sum`」という識別子、「`=`」という演算子、「`0`」という数値リテラル、「`;`」という区切り記号といった複数のトークンに分けられる。 次に「構文解析」が行われる。ここでは、字句解析で生成されたトークンの並びが、そのプログラミング言語の文法規則に沿っているかを検証する。文法的に正しい場合は、プログラムの構造を木のような階層的なデータ構造（構文木）として表現する。もし文法に誤りがあれば、この段階でエラーとして報告されることが多い。 その次に「意味解析」が行われる。この段階では、構文木が表現するプログラムに意味的な矛盾がないかをチェックする。例えば、変数の型が正しく使われているか（数値型に文字列を代入していないか）、未定義の変数が参照されていないか、関数の引数の数が合っているかなどを検証する。 これらの解析が完了すると、「中間コード生成」が行われる。これは、特定のCPUに依存しない、より抽象的な形式のコードを生成する段階である。中間コードを用いることで、後の最適化や、様々な種類のCPUに対応する機械語への変換が容易になる。 続いて「コード最適化」が実施される。この段階では、生成された中間コードを、より効率的に実行できるように改善する。例えば、計算結果が変わらない不要な処理を削除したり、同じ計算が複数回行われる場合は一度だけ計算するように変更したり、より高速に実行できる機械語命令の組み合わせに変換しやすいようにコードを並べ替えたりする。この最適化により、生成される実行可能ファイルのサイズが小さくなったり、プログラムの実行速度が向上したりする。 最後に「コード生成」が行われる。最適化された中間コードを、ターゲットとなるCPUが直接理解できる具体的な機械語命令の羅列である目的コード（オブジェクトコード）に変換する。この目的コードは、特定のCPUアーキテクチャ（例えばx86、ARMなど）に特化したものである。 これらの段階を経て生成された目的コードは、通常、複数のソースファイルからコンパイルされた目的コードや、標準ライブラリなどの外部のコードを結合する「リンク」という工程を経て、最終的に独立して実行可能なファイル（実行プログラム）として完成する。 コンパイラを使用する利点はいくつか存在する。 第一に、プログラムの「実行速度が非常に高速である」ことである。プログラムは実行前に完全に機械語に変換されているため、実行時には翻訳作業が一切不要であり、CPUは直接命令を実行できる。 第二に、「独立した実行可能ファイルを生成できる」ことである。一度コンパイルが完了し、実行可能ファイルが生成されてしまえば、その実行環境にはコンパイラがインストールされていなくてもプログラムを直接実行できる。これにより、エンドユーザーは特別なツールを必要とせずにソフトウェアを利用できる。 第三に、「早期にエラーを検出できる」ことである。コンパイルの段階で、文法エラーや多くの意味的なエラーが検出されるため、プログラムを実行する前に不具合を発見し修正しやすい。これは開発効率の向上につながる。 一方で、コンパイラにはいくつかの欠点も存在する。 最大の欠点の一つは、「開発サイクルが長くなることがある」点である。ソースコードを少し変更しただけでも、プログラム全体、または変更に関連する部分を再コンパイルする必要がある。特に大規模なプロジェクトでは、このコンパイルに時間がかかり、開発者が変更のたびに待機する時間が発生することがある。 もう一つの欠点は、「プラットフォーム依存性が高い」ことである。生成される機械語は特定のCPUアーキテクチャやオペレーティングシステムに特化しているため、異なる環境（例えばWindowsでコンパイルしたプログラムをmacOSで動かすなど）でプログラムを実行するには、その環境に合わせて再度コンパイルし直す必要がある。 コンパイラは、オペレーティングシステム自体、データベース管理システム、高性能なゲーム、組み込みシステム、科学技術計算ソフトウェアなど、パフォーマンスが最優先される多くのソフトウェア開発分野において不可欠なツールである。プログラミング言語の種類に応じて、C言語やC++言語にはGCC (GNU Compiler Collection) やClang、Java言語には`javac`、C#言語には`csc`など、様々なコンパイラが存在し、それぞれが特定の言語とターゲットプラットフォームに対応している。システムエンジニアにとって、コンパイラの基本的な役割と動作原理を理解することは、プログラムの実行メカニズムや性能特性を深く理解するために非常に重要である。