AST（抽象構文木）とは？CSTとの違いと走査・変換・実務活用を徹底解説

2025年11月22日 最終更新日時 : 2025年11月22日 エバープレイ編集部

ASTとは何か（概要）

AST（Abstract Syntax Tree：抽象構文木）は、プログラムの構文構造を木構造で表現したデータ構造です。ソースコードの文法的な要素（式、文、宣言など）をノードとして表し、プログラミング言語の意味解析や変換、コード生成など多くの工程で中心的役割を果たします。単なるテキスト（文字列）では得られない構造化された情報を提供し、コンパイラ、インタプリタ、静的解析器、コード整形ツール、IDEの機能などで広く利用されます。

パースとASTの生成

ASTは通常、字句解析（lexing）と構文解析（parsing）のフェーズを経て生成されます。字句解析でトークン列に分解した後、構文解析器が文法規則に従ってトークンを組み合わせ、まず「構文木（parse tree / concrete syntax tree, CST）」を作成します。CSTは文法のすべての構造（括弧や区切り記号など）を表現しますが、ASTはそれらの冗長な中間ノードや記号を削ぎ落とし、言語意味にとって重要な構造のみを残した抽象化された木です。

生成時には、位置情報（行番号・列番号やバイトオフセット）や型注釈、スコープ情報などをノードに付加することが多く、これが後続処理（エラー報告やデバッグ、ソースマップ生成）に役立ちます。

CST（Concrete Syntax Tree）との違い

  • CST（構文木）は構文規則を忠実に反映する。括弧やセミコロンなどの構文要素もノードとして残る。
  • ASTは言語意味に直接関係のある構造だけを残す。冗長な構文ノードは省略され、ノード名も意味重視（例：BinaryExpression, FunctionDeclaration）となる。
  • ツール選択の観点では、フォーマッタやコード整形はCSTが役に立つ（ホワイトスペースやコメントの位置を正確に扱えるため）、一方で最適化や静的解析、トランスパイルはASTの方が扱いやすい。

ASTの構造と代表的なノード

ASTはツリー構造で、各ノードは種類（ノードタイプ）と子ノード、必要に応じて識別子やリテラル値、位置情報を持ちます。代表的なノード例を言語に依らず一般化すると：

  • Program / Module：ファイルやモジュール全体を表す根ノード
  • FunctionDeclaration / FunctionExpression：関数の宣言や式
  • VariableDeclaration / VariableDeclarator：変数宣言
  • Identifier：名前（変数名、関数名）
  • Literal：数値、文字列、真偽値などの定数
  • BinaryExpression / UnaryExpression：演算子を持つ式
  • CallExpression：関数呼び出し
  • BlockStatement / ReturnStatement / IfStatement / ForStatement：制御構造

ASTの走査と操作（Traversal & Transformation）

ASTを使う上で重要なのは「走査（traversal）」と「変換（transformation）」の手法です。走査は木を深さ優先（DFS）や幅優先（BFS）で巡回し、各ノードに処理を適用します。代表的なデザインパターンに Visitor パターンがあります。Visitorではノードタイプごとの処理を分離でき、解析・最適化・変換を管理しやすくなります。

変換では、ASTを書き換えて新たなASTを生成します。トランスパイル（例：ES6→ES5）、最適化（不要コードの削除）、自動リファクタリング、コード挿入（ログ追加）などが典型的です。変換後にコード生成器がASTからテキスト（ソースコード）を再生成します。ソースマップを用いれば、変換されたコードと元のソースの対応を保持できます。

主な利用用途

  • コンパイラ／インタプリタ：構文解析→意味解析→中間表現→コード生成の中心データ構造。
  • トランスパイラ／トランスフォーム：BabelやTypeScriptのように新しい構文を古い環境向けに変換。
  • 静的解析（リント）／セキュリティ分析：コードの欠陥や脆弱性（例：未使用変数、潜在的なSQLインジェクション）を検出。
  • 自動リファクタリング：リネーム、抽出、インライン化など安全なプログラム変換。
  • IDE機能：補完、ジャンプ先解析、シンボル参照検索、型推論の補助。
  • フォーマッタ・整形：場合によってはCSTが使われるが、意味に基づく整形はAST情報が役立つ。
  • コード計測・カバレッジ：実行経路の挿入や計測ポイントの配置。

代表的なツールとライブラリ

  • Babel / @babel/parser（JavaScript）：ASTを生成・変換するエコシステム。ESTree互換のAST形を扱う。
  • Esprima, Acorn（JavaScriptパーサ）
  • AST Explorer（https://astexplorer.net）：様々な言語のパーサとASTを可視化できる便利なウェブツール。
  • Tree-sitter（汎用パーサ生成器、インクリメンタルパース対応）：エディタ統合に強い。
  • ANTLR（文法定義とパーサ生成）
  • Pythonの標準 ast モジュール（https://docs.python.org/3/library/ast.html）
  • Roslyn（.NETのコンパイラプラットフォーム）：C#/VBのAST操作とコード生成をサポート
  • Clang/LLVM の AST（C/C++）：libclang/Clang ASTでソース情報を詳しく扱える

実務での注意点・課題

  • コメントやホワイトスペースの扱い：ASTは通常意味素のみを表すため、コメントや細かな書式情報は失われる。フォーマッタや元のスタイルを保つ必要がある場合はCSTやコメントを付随させる仕組みが必要。
  • 動的コード（eval等）とメタプログラミング：実行時に生成されるコードやマクロ、テンプレートは静的ASTだけでは完全に扱えない。
  • 言語仕様の複雑さ：プリプロセッサ（C/C++）、マクロ（Lisp系）、型システム（ジェネリクス、テンプレート）はAST処理を難しくする。
  • パフォーマンスとメモリ：大規模プロジェクトでのAST生成・走査はコストが高く、インクリメンタル解析や差分更新が要求される場面が多い。
  • 互換性と標準化：JavaScriptならESTreeという仕様が一般的だが、言語ごとにASTの形は異なるためツール間での互換性を考慮する必要がある。

実例：JavaScriptのAST（ESTree）を使ったワークフローの概念

典型的なワークフローは次の通りです：ソース→パーサ（@babel/parser/Esprima）→AST→解析・変換（プラグイン/visitor）→コード生成（@babel/generator）→出力。変換中に位置情報を保ち、ソースマップを生成することでデバッグ時に元のソースと照合できます。

まとめ

ASTはプログラムの構造を抽象化して表現するための基本データ構造で、コンパイラやツールチェーンの中核を成します。構文木（CST）と区別しつつ、走査・変換・再生成のパイプラインを理解することが、静的解析、トランスパイリング、リファクタリングなどの実装に不可欠です。実務ではコメント保全、動的コード対応、パフォーマンス対策などの課題にも注意を払う必要があります。

参考文献

カテゴリー
IT
前の記事
Lawrence Ferlinghetti（フェルリンゲッティ）の生涯と影響—City Lights創設者が切り開いた詩と表現の自由New!!
2025年11月22日
次の記事
ローレンス・フェルリンゲッティの朗読レコード徹底ガイド：聴き方とおすすめ録音・収集の実践ポイントNew!!
2025年11月22日