AST (抽象構文木)

2025年11月8日

AST (抽象構文木)

英語表記: AST (Abstract Syntax Tree)

概要

AST（抽象構文木）は、コンパイラやインタプリタといった言語処理系において、ソースコードの構造を効率的に表現するために用いられる「中間表現」の一つです。これは、プログラムの実行に必要な本質的な要素だけを抽出して、階層的な木構造として表現したデータ構造のことを指します。特に、コンパイルと言語処理系（コンパイラ, インタプリタ, JIT）の処理フローにおいて、構文解析の後に生成され、後続の意味解析や最適化処理の土台となる、非常に重要な役割を担っています。

詳細解説

ASTがなぜ中間表現としてこれほど重要なのか、その目的、主要コンポーネント、そして動作について詳しく見ていきましょう。

中間表現としての役割

言語処理系の構造において、コンパイラは通常、ソースコードを直接機械語に変換するのではなく、いくつかの段階（フェーズ）を踏みます。最初の段階である字句解析（トークン化）と構文解析（パース）が完了した後、その結果を次のフェーズ（意味解析、最適化、コード生成）に引き継ぐ必要があります。この引き継ぎ役こそが、中間表現であるASTの最大の役割です。

ASTは、ソースコードに含まれる余分な情報、例えば括弧やセミコロン、コメント、インデントといった、プログラムの「意味」には直接関わらない要素を意図的に取り除いて表現されます。この「抽象的」な構造こそが、名前の由来であり、コンパイラのバックエンド（最適化やコード生成を行う部分）が効率的に処理を進めるための鍵となります。

動作と構造

ASTは、ノード（節）とエッジ（枝）から構成されるデータ構造です。

ノード（Node）: ノードは、プログラムを構成する基本的な要素を表します。主なノードの種類には以下のようなものがあります。
- 演算子ノード: 加算（+）、乗算（*）、代入（=）などの操作を表します。これらが木の内部ノードになります。
- リテラルノード: 数値（10, 3.14）や文字列（”Hello”）といった定数値を表します。
- 識別子ノード: 変数名や関数名などを表します。
- 制御構造ノード: if文、whileループ、関数定義など、プログラムの流れを制御する構造を表します。
階層構造: 木の根元から葉に向かって、プログラムの論理的な依存関係や実行順序が表現されます。例えば、A + B * Cという式があった場合、乗算（*）は加算（+）よりも優先度が高いため、AST上では乗算が先に処理されるように階層が深くなります。

ASTがもたらすメリット

ASTが中間表現として確立されていることには、コンパイラ設計上の大きな利点があります。

意味解析の容易さ: 構文解析だけでは検出できない「型の一致」や「変数の定義済みチェック」といった意味的な誤りを発見しやすくなります。木構造をたどるだけで、変数や関数のスコープを追跡できるため、非常に便利です。
最適化の効率化: ASTはソースコードの「意味」を純粋な形で保持しているため、コンパイラは木構造を書き換えるだけで、様々な最適化処理（例：共通部分式の削除、定数畳み込み）を適用できます。これは、文字列表現や単なるトークンリストでは実現が難しいことです。
言語非依存性: 一度ソースコードをASTに変換してしまえば、コンパイラの後半部分（バックエンド）は、元のプログラミング言語（Javaであれ、Pythonであれ）の細かい文法構造を意識する必要がなくなります。これは、複数の言語に対応した共通の最適化モジュールを作りやすくなるという、設計上非常に大きなメリットになりますね。

このように、ASTは、言語処理系の構造において、人間が書いたソースコードを機械が処理しやすい形に変換し、コンパイルの品質（生成されるコードの速度や効率）を向上させるために不可欠な「設計図」の役割を果たしているのです。

具体例・活用シーン

ASTは普段、私たちが意識することはありませんが、プログラミングの世界では非常に幅広く活用されています。特に、コンパイラやインタプリタの内部で、処理の核心を担っているのは間違いありません。

1. 算術式の表現

例えば、プログラミング言語で以下の単純な代入式を記述したとします。

X = 10 + Y * 5;

このコードがASTとして表現されるとき、それは以下の構造を持つ木になります（簡略化）。

ルートノード: 代入操作（=）
- 左の子ノード: 変数 X
- 右の子ノード: 加算操作（+）
  - 左の子ノード: 数値 10
  - 右の子ノード: 乗算操作（*）
    - 左の子ノード: 変数 Y
    - 右の子ノード: 数値 5

この木構造を見れば、まず Y * 5 が計算され、その結果に 10 が加算され、最終的に X に代入される、という優先順位と実行順序が一目瞭然となります。これが、ASTが「抽象的」かつ「構造的」に意味を表現しているということの具体的な証拠です。

2. 建築の構造設計図（アナロジー）

ASTの役割を理解するために、家を建てるプロセスを想像してみてください。

ソースコードは、施主（プログラマー）が描いた「イメージ図」や「要望書」のようなものです。そこには、コメント（「ここは広々としてほしい」）、デザイン上の指示（インデントや括弧）、そして機能的な要望（「キッチンはここに」）などが混在しています。

コンパイラがASTを生成するプロセスは、この要望書をもとに、大工さんが実際に家を建てるための「構造設計図」を作成することに相当します。

この設計図（AST）には、壁の色やカーテンの仕様（ソースコードの余分な情報）は含まれていません。
含まれているのは、柱や梁の位置、配管のルート、そして部屋と部屋のつながりといった、建物の本質的な構造と機能だけです。
この構造設計図（AST）があるからこそ、建築現場（バックエンド）は、どの順番で、どの材料を使って組み立てればよいかを正確に把握し、設計ミスなく、かつ頑丈な家（最適化された機械語）を建てることができるわけです。

このように、ASTは、コンパイラという「建設現場」において、設計と実装を結びつける、なくてはならない「中間表現」なのです。

3. その他の活用シーン

ASTの利用はコンパイラ内部にとどまりません。

静的解析ツール: コードのバグやセキュリティ脆弱性を検出するツールは、ASTを解析して、複雑な制御フローや変数の使用状況を把握しています。
コードフォーマッタ: 括弧の位置やインデントを自動で整形するツールも、ASTを用いてコードの構造を正確に理解し、意味を変えずに整形を実現しています。

資格試験向けチェックポイント

ASTは、ITパスポート試験では詳細な出題は少ないものの、基本情報技術者試験（FE）や応用情報技術者試験（AP）では、コンパイラの構造や理論を問う問題において、非常に重要なキーワードとなります。特に、言語処理系の構造 → 中間表現という文脈で押さえておきましょう。

| 項目 | 詳細と対策 |
| :— | :— |
| 位置づけの確認 | ASTは、コンパイラのフロントエンド（字句解析、構文解析）とバックエンド（意味解析、最適化、コード生成）の間に位置する中間表現である、という点を必ず覚えてください。|
| CSTとの違い | ASTと混同されやすいものに「CST（具象構文木、Parse Tree）」があります。CSTはソースコードの文法的な詳細（括弧やセミコロンなど）をすべて含みますが、ASTはプログラムの意味的な構造に焦点を当て、冗長な要素を抽象化している、という違いがよく問われます。 |
| 主な目的 | ASTの目的は、「意味解析を容易にする」「最適化処理の基盤を提供する」の2点です。特に最適化フェーズでは、ASTのノードを操作することで効率的なコード生成が可能になる、という流れを理解しておくことが重要です。 |
| FE/AP対策 | コンパイラの構造図が出題された際、構文解析の出力がASTであり、それが意味解析の入力となる、というフローを正確に追えるようにしておきましょう。また、「中間表現」の種類（AST、三番地コードなど）を比較させる問題も想定されます。 |
| 暗記ポイント | A = Abstract (抽象的)、S = Syntax (構文)、T = Tree (木) の略であり、プログラムの本質的な構造を表現していることを、主観的な理解として持っておくと、応用が効きます。 |