構文解析

2025年11月8日

構文解析

英語表記: Syntax Analysis (Parsing)

概要

構文解析（Syntax AnalysisまたはParsing）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、入力されたソースコードがそのプログラミング言語の文法規則に正しく従っているかを確認し、構造化されたデータ（抽象構文木：AST）に変換するプロセスです。これは「言語処理系の構造」における「フロントエンド」の主要な工程の一つであり、プログラムの意味を解釈するための土台を築く、非常に重要な役割を担っています。字句解析によって得られたトークン（単語）の並びが、文法的に意味のある「文」として成立しているかを検証し、後の処理段階で利用できるように整理する作業だと理解してください。

詳細解説

フロントエンドにおける構文解析の役割

私たちが今学んでいる「構文解析」は、コンパイルと言語処理系（コンパイラ、インタプリタ、JIT）という大きな枠組みの中で、特に「言語処理系の構造」を理解する上で欠かせない要素です。さらに具体的には、ソースコードを機械が理解できる形式に変換する初期段階、すなわち「フロントエンド」の中心的な業務を担っています。

フロントエンドの処理は、通常、「字句解析」の後に「構文解析」が続きます。字句解析がソースコードを構成する最小単位（予約語、識別子、演算子など）である「トークン」に切り分ける、いわば単語の抽出作業だとすれば、構文解析はそのトークンの並びが、その言語の定める文法（ルール）に合致しているかをチェックする、文法チェックの役割を果たします。

目的と動作原理

構文解析の第一の目的は、文法エラーの検出です。例えば、プログラミング言語において括弧の数が合わない、あるいは不適切な場所にセミコロンが打たれているといった、文法的な誤りがあれば、この段階で処理を中断し、エラーメッセージをユーザーに返します。

第二の、そしてより重要な目的は、プログラムの構造を明確化し、次の処理段階（バックエンド）で利用可能な形式に変換することです。構文解析の結果として生成される主要なデータ構造が、「抽象構文木（Abstract Syntax Tree: AST）」です。

ASTは、プログラムの構造を木構造で表現したものです。例えば、「A + B * C」という式があった場合、字句解析では「A」「+」「B」「*」「C」というトークンの並びになりますが、構文解析では乗算（*）が加算（+）よりも優先されるという文法ルールに基づき、「*」を先に計算する構造を反映した木（AST）を生成します。このASTは、プログラムの意味（セマンティクス）を理解したり、実際に中間コードを生成したりする「バックエンド」処理の入力として使用されます。

文法規則とパース手法

構文解析器（パーサ）は、その言語の文法規則（通常は文脈自由文法、Context-Free Grammar: CFGで定義されます）に基づいて動作します。文脈自由文法とは、「この単語の並びの後にこれが来たら、それはこういう構造（文）である」というルールを定めたものです。

構文解析の手法には、大きく分けて二種類あります。

トップダウン解析: 文の構造の最も大きな単位（ルート）から始めて、徐々に細かい要素（葉）へと分解していく手法です。再帰的下向き解析（Recursive Descent Parsing）などが有名です。
ボトムアップ解析: トークン（葉）から始めて、文法規則に従って徐々に大きな構造（ルート）へと統合していく手法です。LR法などが代表的で、より複雑な文法を効率的に処理できます。

どの手法を用いるにせよ、構文解析は、単なる文字列の羅列であったソースコードに、意味的な構造と階層を与える、まさに言語処理系の知的な機能の中核を担っているのです。このプロセスがなければ、コンパイラはコードの意味を理解できず、機械語に変換することはできません。そのため、コンパイラの性能や信頼性は、このフロントエンドにおける構文解析の正確性に大きく依存していると言えるでしょう。

具体例・活用シーン

1. プログラミングにおけるASTの生成

例えば、C言語やJavaのような言語で、if (x > 10) { y = 5; }というコードを記述したとしましょう。

字句解析器はこのコードを以下のようなトークンに分解します。
[if] [ ( ] [x] [ > ] [10] [ ) ] [ { ] [y] [ = ] [5] [ ; ] [ } ]

次に、構文解析器はこのトークン列を受け取り、文法規則（if文の構造）に照らし合わせます。
「if」の後に「条件式」が続き、その後に「実行ブロック」が続くというルールが満たされているかを確認します。ルールを満たしていれば、以下のようなAST（抽象構文木）が生成されます。

ルートノード: IfStatement
- 子ノード1 (条件): BinaryExpression (x > 10)
- 子ノード2 (本体): Block
  - 孫ノード: Assignment (y = 5)

この木構造こそが、プログラムの意図を正確に表現したデータであり、後のセマンティック解析（意味解析）やコード生成（バックエンド）で利用されるのです。

2. 人間の言語における「文法警察官」の比喩

構文解析の役割を理解するための具体的な比喩として、「文法警察官」の物語を考えてみましょう。

あるプログラミング言語という国には、言語処理系という役所があります。ソースコードは、その国に入国しようとする旅行者（命令）です。

まず、旅行者は「字句解析」という税関を通ります。ここでは、旅行者の荷物（ソースコード）を最小単位の「単語（トークン）」に分けます。

次に、この単語のリストは「構文解析」という文法警察官のデスクに渡されます。この警察官は、その国の法律（文法規則）が書かれた分厚い本を常に持っています。

旅行者（トークン列）が「私は、昨日、りんご、食べた、を」と並んでいたとしましょう。単語自体は全て正しい（字句解析はOK）ですが、日本語の文法（助詞「を」の位置など）としては不自然です。

文法警察官（構文解析器）は、文法規則に照らして「この単語の並びは、この国の法律に照らして意味のある文として成立しない！」と判断し、エラーを返します。これが文法エラーの検出です。

もし旅行者が「私は、昨日、りんごを、食べた」と正しい順序で並んでいれば、警察官は「よし、この文は正しい構造だ」と承認し、その文が「誰が」「何を」「どうした」という構造を持った「承認済みの構造図（AST）」を作成し、次の役所（意味解析やコード生成）に渡します。

構文解析は、このように、単語レベルの正しさ（字句解析）を超えて、それらの組み合わせの正しさを保証する、非常に厳格なチェック機構なのです。言語処理系の「フロントエンド」において、このチェックを通過しない限り、プログラムは実行されることはありません。

資格試験向けチェックポイント

構文解析は、ITパスポートから応用情報技術者試験まで、言語処理系の基礎知識として頻出します。特にコンパイラの構造を問う問題では、その位置づけと役割が重要になります。

ITパスポート/基本情報技術者試験レベル
- 役割の明確化: 字句解析（トークン化）の次に行われる処理であり、文法が正しいかチェックする役割を担うことを理解しましょう。
- 出力: 構文解析の結果として「抽象構文木（AST）」が生成されることを覚えておきましょう。ASTは、プログラムの構造を階層的に表現したものです。
- タキソノミーとの関連: 構文解析は、コンパイラの「フロントエンド」に属する主要な機能です。フロントエンドはソースコードに依存し、バックエンドはターゲットマシンに依存するという分け方を理解しておくと、知識が整理しやすいです。
応用情報技術者試験レベル
- 文法の種類: プログラミング言語の構文規則を記述するために「文脈自由文法（CFG）」が用いられることを知っておきましょう。
- 解析手法: トップダウン解析（再帰的下向き解析）やボトムアップ解析（LR法など）といった具体的な解析手法の名称と、それぞれの特徴が問われることがあります。特に、ボトムアップ解析がより強力な文法を扱える傾向にあることを覚えておくと良いでしょう。
- エラー検出: 構文解析の段階で、文法エラー（Syntax Error）が検出されることが重要です。字句エラー（Lexical Error）との違いを明確に区別できるようにしてください。