シェルスクリプトで指定回数 (N回) ループ

シェルスクリプトで指定回数ループする方法を記す。

最終的に，awkを使った実装が高速で汎用的なので，ベストだと結論づけた。

N=10
for i in $(awk "BEGIN{for(i=1; i<=$N; ++i) print i}"); do
  echo $i
done

ただし，ループ変数が不要な場合は，for-printfを使う方法が最速で手短だ。

N=10
for i in $(printf "%0${N}d\n" | fold -w 1); do
  echo $i
done

また，速度が重要でない場合や，記述の簡潔さを重視する場合は，whileによる方法も検討に値する。

i=0 N=10
while [ $((i+=1)) -le $N ]; do
  echo $i
done

背景

シェルスクリプトで，指定回数だけ処理を実行したいときがある。Linux系OSであればseqコマンドやyesコマンド，Mac含むBSD系OSだとjot，その他シェル独自拡張 (bash/ksh93/zsh) のブレース展開や算術for文を使って実現できる。

N=10
## seq is not POSIX
for i in $(seq $N); do
  echo $i
done

N=10
## yes is not POSIX
yes | head -n $N | while read -r i; do
  echo $i
done

N=10
## jot is not POSIX
for i in $(jot $N); do
  echo $i
done

## shell specific syntax
for i in {1..$N}; do
  echo $i
done

for ((i=1; i<=10; ++i)); do
  echo $i
done

しかし，どの方法もPOSIX非準拠となってしまう。seqやyesは機能の単純さや利用頻度からPOSIXで定義されているかと勘違いしがちだが，実はPOSIXで未定義だ。

回数を指定した反復は頻出事項であり，POSIX互換な方法を確立する必要があると感じたので検討した。

アプローチとして以下の2種類がある。

1. ループ方法の工夫
   
   1. while
   2. printf
2. seqの代替
   
   1. bc
   2. awk

ループ方法の工夫

i=0 N=10
while [ $((i+=1)) -le $N ]; do
  echo $i
done

N=10
# for i in $(printf "%0${N}d\n" | sed 's/0/0 /g'); do
for i in $(printf "%0${N}d\n" | fold -w 1); do
  echo $i  # 0
done

seqコマンドの代替

もう片方のアプローチとしては，seqコマンドそのものを代替することだ。seqコマンドのように連番の数字を別の方法で出力して，それをfor文に使う。bcコマンドとawkコマンドを使う2通りの方法がある。

N=10
for i in $(echo "for (i=1; i<=$N; ++i) i" | bc); do
  echo $i
done

apt search bc 2>&- | grep -B 1 "GNU bc"

bc/xenial,now 1.06.95-9build1 amd64 [installed,automatic]
  GNU bc arbitrary precision calculator language

N=10
for i in $(awk "BEGIN{for(i=1; i<=$N; ++i) print i}"); do
  echo $i
done

速度比較

ここまでで，POSIX互換な合計5通りのループの実装方法を説明した。最後にこれらの実装の速度を比較して，どれが最良であるかの判断材料とする。

以下のコードで示すように，10万回のループを実行して速度を測る。

N=100000 \time -p sh -c 'i=0; while [ $((i+=1)) -le $N ]; do echo $i >/dev/null; done'
N=100000 \time -p sh -c 'for i in $(printf "%0${N}d\n" | sed "s/0/0 /g"); do echo $i >/dev/null; done'
N=100000 \time -p sh -c 'for i in $(printf "%0${N}d\n" | fold -w 1); do echo $i >/dev/null; done'
N=100000 \time -p sh -c 'for i in $(echo "for (i=1; i<=$N; ++i) i" | bc); do echo $i >/dev/null; done'
N=100000 \time -p sh -c 'for i in $(awk -v N=$N "BEGIN{ for(i=1; i<=N; ++i) print i}"); do echo $i >/dev/null; done'

さらに，上記のコードを5回実行して平均をとったものを以下の表にまとめた。

この結果から，最速だったのはprintfを使ったものだった。この方法では，ループ変数のインクリメントなどが不要であり，処理が単純なので速かったのだと思われる。また，sedとfoldでは，foldのほうがわずかに速かった。foldのほうが記述が簡単なので，for-printfでのループではfoldを使うのが良いだろう。

次点はawkによるものだった。最も遅かったのはやはりwhileによるものだった。whileではループの度にインクリメントや評価が行われるので，速度が遅くなるだろうという予想通りの結果となった。

printfとawkによるものはwhileの方法の約2倍の実行速度であり有力だと感じた。

結論

5通りのループの実装方法を紹介し速度を計測した。この結果から，awkによる実装がベストだろうと思った。

N=10
for i in $(awk "BEGIN{for(i=1; i<=$N; ++i) print i}"); do
  echo $i
done

理由は以下2点だ。

1. 速度が速い
2. 応用が効く

短いループを何回も行う場合でも，実行速度は重要になる。awkを使っておけば，ループ変数の出力の形式を調整したり，デクリメントなど複雑な連番処理にも対応でき，seq自体をawkを使って自分で実装して代替することもできそうだ。

しかし，awkで行う場合は記述が長くなってしまう。ループ変数がそもそも不要であったり，デクリメントなどループ変数の処理が不要な場合は，記述の手軽さからprintfコマンドを使うのも悪くない。

N=10
for i in $(printf "%0${N}d\n" | fold -w 1); do
  echo $i  # 0
done

また，速度は劣るものの，記述が簡単であり，ループ変数から番号も取得できるので，素直にwhile文を使うのもありだろう。whileだとデクリメントや2個飛ばしなども，ループ変数の加減算により簡単にできる。

i=0 N=10
while [ $((i+=1)) -le $N ]; do
  echo $i
done

用途に応じて，awk，printf，whileを使い分けるのがよいだろう。個人的には，以下の優先順位で利用を検討するのがよいと思った。

今後，シェルスクリプトで指定回数のループを行うときは，seqを使わずにfor-printf，while，for-awkを使いPOSIX互換なシェルスクリプトを心がけていこう。

オプションのないseqのawkでの実装

最後に，参考までにawkによるseqの実装コードを記す。オプションのパースが複雑になるので，ひとまずオプションは使わないという前提をおいている。

引数の処理を行い，デクリメントなども対応している。その内勉強も兼ねて，POSIX互換なseqの実装にも挑戦してみたい。

:
################################################################################
## \file      seq-minimum.sh
## \author    SENOO, Ken
## \copyright CC0
################################################################################

set -eu
umask 0022
export LC_ALL='C' PATH="$(command -p getconf PATH):$PATH"

seq()(
	HELP_WARN="Try 'seq --help' for more information.\n"

	## Check arguments
	case $# in
		1) LAST="$1";;
		2) FIRST="$1" LAST="$2";;
		3) FIRST="$1" INCREMENT="$2" LAST="$3";;
		0) printf "seq: missing operand\n$HELP_WARN"    1>&2; exit 1;;
		*) printf "seq: extra operand '$4'\n$HELP_WARN" 1>&2; exit 1;;
	esac

	## Set default value
	: ${FIRST:=1} ${INCREMENT:=1} ${COMPARISON:=<}
	case "$INCREMENT" in -*) COMPARISON='>';; esac

	## Execute seq
	awk "BEGIN{for(i=$FIRST; i$COMPARISON=$LAST; i+=$INCREMENT) print i}"
)

seq ${1+"$@"}