自身のソースコードと完全に同じ文字列を出力するプログラムは Quine (クワイン) と呼ばれます。
Quine は単純に書けるものではありません。
例えば Python3 で print 関数から Quine を書き始めようとすると、引数に渡すべき文字列は自身のソースコードなので "print( から始まり、その括弧の中身も "print( ... と永遠に続いてしまいます。
# Quine を print から書き始めようとするとキリがない print("print(\"print(\\\" ... ")
このように単純には書くことのできない Quine ですが、定石さえ知っていれば下図のような Quine を作れます。
これは私が作った、Ruby 言語によるアスキーアート Quine です。 本稿の投稿時期はお正月でしたので、それにちなんで「謹賀新年」を表示しています。 このアスキーアートを Ruby で実行すれば、全く同じアスキーアートのコードが出力されます。試してみてください。
以下にテキストのソースコードを貼っておきます。
eval$s= %w( $s= %(
eva l$s =%w (#{$s})*"");k
ahdiealkbayeizytgakdi elaheyeiwoaiekya w= %q
(x2uoz7p55x6h 3b8gn7zxvnkrmvw4k1xvj zyn c9u pa gh
rro jog v34 ilc qd ol
dsx 9yb c2bs7 i85qfb8 xnb194hb9tdrz
dcwul72 k8wjkh2paie00fbxbds40 8c
ps gko nm twaqk8znuogjbsjuncsqqn24
ou ha3 ot 3g hx
n5cx2ux vwax1hxow8tpyamjokj7y rzmd32sbr9mnuymtbg9dio0d
cg5 z9 pg
gfoa8twzvq0hfyig nmre3mdynwh3tnp2sebbshaz
p3692r0uysm 1td cj qz
7m 17 ms2bn6g79j5yo118 6gvgv33t4uwjegg7oywc7sd8
o3 de jr9
2y 67 2ic5jl1u00xco5se6575two 2cvj0b0 6ixwmi3
xi2rh0kikjv 7jobzwpc0bjzhckm4lenkbh e3zlqs gqj4ffd
u4ynjyn n6amuj
eg y v
1n i1fcu c2d
p82z6fqhc7no9 cc373f lhu
sr 0e fx9bdj 2xglct3eq7sxljn4shtw54sp
2 x ut0 hd3 du3
fz 9a szz b74 6no
g2c8e1rtajenxmn4) .to_i(36);f=->(n ){$ s. sli
ce !(0 0,n )} ;h,wi=37,76;puts;h.
times{|i|line=St rin g.n ew ();
wi.t ime s{| j| if(
kahdiealk bay eiz yt gak
di el ahe ye iwo aiekyaw[wi*i+j]==0);line<<32.chr;el
se ;l in e<< f[1 ];e
nd ;} ;l in e.r str
ip! ;l in e<< ';'
if (i +1= =h) ;pu
ts (li ne) })*
"";
両者は同一であることが示された。
Quine 自体が社会の役に立つことは期待しにくいですが、プログラマの遊びとしては面白いものだと思います。 本稿では Quine を書いてみたいプログラマ向けに Quine の書き方を紹介します。 説明には Python3 をメインに用いますが、Quine を書く手法は他の多くの言語にも通用します。
Quine らしくない Quine
もしかしたら、読者の中には「自身のファイルを読み込んでそれを表示すればいいじゃないか」と考える人もいるかもしれません。 例えば Python3 だと以下のようなプログラムが考えられます。
with open(__file__) as f: print(f.read())
確かに上記のようなプログラムは自分自身を出力しますが、簡単すぎます。 そこで、以降は 外部からの入力をしない というルールのもとで Quine を書くことにします。
他にも 0 バイトのスクリプトも Quine と解釈できますが、ここでの紹介に留めておきます。
Quine の考え方
ソースコードの先頭を print にすると手詰まりになることは冒頭で示しました。
print から書き始める方針をやめて、「自身のソースコード文字列をプログラム内で構築して出力する」方針で進めると成功します。
以下、Python3 で Quine を作るときの考え方を示します。
1. おもむろに以下のようなコードを書く
s = ""; print(s)
以降、変数 s はソースコード文字列を表すために使っていきます。
この時点ではまだ Quine ではありません。
2. s の中身を埋めてみる
変数 s はソースコード文字列を表すのでした。
1.のソースコードは s = ""; print(s) なので、それを変数 s の値にすればよいです。
すると文字列の中に再び s = "" が登場するのですが、このダブルクォートの中身は ... という文字列で誤魔化しておきます。
s = "s = \"...\"; print(s)"; print(s)
3. ... にソースコード (= s) を埋め込む
2.で誤魔化した ... の部分を解決したいです。
... はもともとソースコード文字列になる予定のものでした。
変数 s はソースコード文字列を表すので、... の部分には s を埋め込めば良いことになります。
そのために文字列の置換を行います。
s.replace('...', s, 1) とすることで、 s 中の ... を s の値に置換した文字列を生成できます。
第3引数の 1 は置換回数の上限です。
s = "s = \"...\"; print(s.replace('...', s, 1))"; print(s.replace('...', s, 1))
上記のプログラムを実行すると、以下が出力されます。 ほとんど元のプログラムと一致しており、Quine らしくなりました。
s = "s = "..."; print(s.replace('...', s, 1))"; print(s.replace('...', s, 1))
しかし s = "s = "...." の部分でダブルクォートのエスケープが足りていません。
4. s の値を適切にエスケープして埋め込めば完成
ダブルクォートをエスケープするために s.replace('"', '\\"') する方法が思いつきますが、この方法はいろいろと厳しいです 1。
Python3 にはエスケープに利用できる便利な組み込み関数として repr があります。
※ 文字列をエスケープする専用の関数ではありません。
# repr の結果例 print(repr("hoge\n")) #=> 'hoge\n' print(repr("'")) #=> "'" print(repr('\'')) #=> "'" print(repr('"..." \'hoge\n\'')) #=> '"..." \'hoge\n\'' print(repr("\"...\" 'hoge\n'")) #=> '"..." \'hoge\n\''
3.のプログラムの replace の第2引数を s から repr(s) に変えて、s = \"...\" は s = ... に変えてあげれば完成です。
s = "s = ...; print(s.replace('...', repr(s), 1))"; print(s.replace('...', repr(s), 1))
よりシンプルな Quine
先ほどの Quine は文字列の中と実際のコードとで重複があります。 文字列をプログラムとして実行する機能を有している言語ならば、重複なしにより簡単に書けます。
Python3 の exec 関数は引数の文字列をプログラムの文として実行します。
exec を利用すると、下記のような Quine ができます。
s = 'print(f"s = {repr(s)}; exec(s)")'; exec(s)
print の中身は f-string (フォーマット済み文字列リテラル) です。
f-string を使うと、波括弧内の式の値を埋め込んだ文字列を生成できます。
C言語で Quine
先ほどのように、ソースコードを表す文字列 s を用意して、s の中に s を埋め込んだ文字列を表示する 方法は多くの言語に適用できます。
C言語でそのアプローチを使って Quine を実装してみます。
C言語には文字列置換やエスケープをする関数は標準では用意されていません。
しかし文字列を実際に置換せずとも、置換した結果さえ表示できれば良いので、s を先頭から1文字ずつ出力して、 ... の部分では代わりにダブルクォートと s を出力するようにすれば可能です。
下記にC言語による Quine の例を示します。
※読みやすさのために改行やインデントを入れています。
変数 s の中身において、 ... は @ 1文字で表し、改行文字は $ で表しています。
エスケープは極力避けたいので、文字リテラルを用いずに、対応するASCIIコードの整数リテラルを用いています。
C言語では連続する文字列リテラルは連結されることを利用して、s の値は複数行に分けています (読みやすさのため)。
#include <stdio.h> const char *s = "#include <stdio.h>$" "const char *s = @; " "int main() {" "for (const char *p = s; *p; ++p) {" "if (*p == 64) {" "putchar(34);" "fputs(s, stdout);" "putchar(34);" "} else if (*p == 36) {" "putchar(10);" "} else {" "putchar(*p);" "}" "}" "return 0;" "}"; int main() { for (const char *p = s; *p; ++p) { // s を1文字ずつ走査 if (*p == 64) { // *p == '\n' なら s の値をダブルクォートで囲んで表示 putchar(34); fputs(s, stdout); putchar(34); } else if (*p == 36) { // *p == '$' なら改行 putchar(10); } else { // そうでなければ *p を表示 putchar(*p); } } return 0; }
上記のプログラムを正式な Quine にするために改行とインデントとコメントを頑張って取り除いても良いですが、そのような必要はありません。 このプログラムをコンパイルして実行すれば、所望の Quine プログラムが得られます。
実行して得られる出力は以下のとおりです。
#include <stdio.h> const char *s = "#include <stdio.h>$const char *s = @; int main() {for (const char *p = s; *p; ++p) {if (*p == 64) {putchar(34);fputs(s, stdout);putchar(34);} else if (*p == 36) {putchar(10);} else {putchar(*p);}}return 0;}"; int main() {for (const char *p = s; *p; ++p) {if (*p == 64) {putchar(34);fputs(s, stdout);putchar(34);} else if (*p == 36) {putchar(10);} else {putchar(*p);}}return 0;}
ちなみにマクロ機能を利用すれば、以下のように重複を少なくできます。
#define Q(prog) const char *s = #prog; prog Q(int main() { __builtin_printf("#define Q(prog) const char *s = #prog; prog\nQ(%s)\n", s); })
上記プログラムについて簡単に解説すると、
#defineマクロ内では文字列化演算子#を利用している。#progとすることでその部分はprogを表す文字列リテラルとして展開される。printfではなくコンパイラ組み込みの__builtin_printfを使うことでstdio.hのインクルードを不要にしている (インクルードせずにprintfしてもできるが、コンパイラから警告されてしまう)。
終わりに
言語によってはさらにいろいろな Quine の書き方があり面白いです。 本稿で紹介していないテクニックがまだありますが、ここで終わりたいと思います。
より詳しく知りたい方は参考文献の方をご覧いただくと良いかと思います。
