授業/H20/系統解析論/演習1

演習１：Cygwinを用いたUnixライク環境の体験 †

系統解析ソフトウェアのうちMac版PAUP*やMesquiteは大変使いやすいグラフィカルユーザーインターフェースを備えていますが、そうでないものが多くあります。また、ソースコードで配布されるものは、自分の環境に合わせてコンパイルしないと、使用できません。そういうソフトウェアを操作し、自分のコンピュータで使えるようにするには、Unix系のコマンドラインでの操作に慣れておくことが必須です。この講義では、Windows上で走るUnix環境エミュレータであるCygwinを使って、コマンドラインコンピュータの操作を学習します。
Some softwares for phylogenetic analysis are not equipped with GUI like PAUP* of Macintosh or Mesquite. Some softwares also to be compilied under the configuration of each terminal. Here, we try to use Cygwin, an emulater of Unix environment on Windows, to use r8s, PAML, and others.

環境の設定：Cygwinとテキストエディタのインストール †

この演習では、Windowsのグラフィカルインターフェース’（GUI: 簡単に言うと、”マウスでポインタを動かしクリックしてそうさするもの"）の下で動作するソフトウェアと、Unix様のコマンドラインインターフェース（CLI: 簡単に言うと、"キーボードから命令を文字で打ち込むもの"）の両方を組み合わせて使用できるように、WindowsXPの環境をセットアップします（MacOSXやLinuxのGUIを使っている人は、こんなことをしなくとも、GUIとCLIの両方を簡単に使うことができます）。インストールするのは、以下のソフトウェアです。

1. Cygwin: Windows環境で動くUNIXエミュレータ。このソフトウェアをインストールすることで、UNIXのCLIで使われる様々な機能を簡単に体験することができます。
2. K2Editor:　テキストエディタ。UNIXのCLI環境にもviやemacs等のエディタがありますが、Windows利用者には使いやすいと思われるGUIで動くテキストエディタを使います。

Cygwinのインストール: Installation of Cygwin †

• Cygwinを右のサイトからダウンロード http://cygwin.com/
  Download Cygwin from the URL above.
• デスクトップ上のSetupをクリックしてインストール
  Double click Setup on your desktop.
  • c:\cygwinにインストール
    Cygwin will be installed under c:\cygwin
  • インストールするパッケージの選択で、Devel（開発環境）とデータベースのいくつかのセットを選択しておく

    Choose following packages under Devel when you see the list of packages
    	make
    	gcc       #C compiler 一つクリックすると、関連するものがすべて選択される。
    	gcc-g77
    Choose sqlite3 under Database packages
           sqlite3

• インストールが終了したら、デスクトップかスタートメニューのCygwinアイコンをクリック。コマンドラインウィンドウが表示されます。
  Click the Cygwin Icon on the desktop to start.
• 一度立ち上げることで、c:\cygwinに/home（自分のユーザー名：以下の例ではtkaji）というディレクトリができます。
  In this example, user have a directory named "tkaji" under c:\cygwinに/home.
• これでUnixライクな環境が構築できました。
  Now you are in a Unix-like environment running in Windows PC.

K2Editorのインストール †

• ダウンロードサイトにアクセス　→　http://k2top.jpn.org/index.php?K2Editor
• ページの中程から、k2e10508.lzh をダウンロードして展開(パソコンにLHAやeoが入っていることが必要）
• デスクトップにK2Editorのフォルダができる
• フォルダの中のK2Editor.exeをクリックして起動してみよう
• ※Free ASCII text editor is listed in this page: http://www.thefreecountry.com/programming/editors.shtml
  • For English User: jEdit is a good one!: http://jedit.sourceforge.net/index.php?page=download

Unixライク環境の基本操作: †

これからCygwinとテキストエディタの他、下でダウンロードする様々なソフトウェアを使ってUnixライク環境を使って系統推定を行います。この授業では、以下の基本操作・知識が必要ですので、必ず慣れておきましょう。なお、Mac OSXユーザの場合、ターミナルを起動するだけでUnixライクの操作を行うことができます。
To use Unix-like environment, you should understand following basics.

1. Cygwinの起動とウィンドウ設定の変更
2. コマンドラインインターフェースの使い方
3. 文字を使っファイルやたディレクトリの表し方とディレクトリの構成
4. ディレクトリに関する基本コマンド（命令）
   • カレントディレクトリの表示： pwd
   • ディレクトリの内容表示： ls
   • ディレクトリへの移動： cd
   • ディレクトリ間のファイルコピー： cp ; 移動： mv 別ディレクトリへのファイルの移動・名前の変更
   • 新しいディレクトリの作成： mkdir
   • ファイルの削除： rm
5. テキストエディタによるデータファイルの作成と保存と改行コード

Cygwinの起動とウィンドウ設定の変更 †

先ほどインストールしたcygwinのアイコンがデスクトップにあるはずなので、ダブルクリックして立ち上げてみましょう。そうすると、画面に黒いウィンドウが開き、コマンドプロンプト（カーソルがチカチカ点滅しているところ）が表示されます。Unixライクな操作は、ここに文字で命令を打ち込むことで行います。操作を始める前に、このウィンドウについて、次の設定をしておきましょう。

1. プロパティの変更：　ウィンドウ左上のCを右クリックしてプロパティを選択
   • オプションタブをクリック：
     • バッファサイズを200ぐらいに
     • 簡易編集モードをチェック（これで、マウスの右クリックでテキストのコピー・ペーストが可能）
   • レイアウトタブをクリック
     • 画面サイズを好みの大きさに（今回は幅95, 高さ20にしてみた）
   • ウィンドウを閉じて終了「このウィンドウを起動したショートカットを変更する

初めてのコマンドラインインターフェース: Unix-like CLI †

※ Non-Japanese students: Visit English Tutorials for Unix/Linux of Marine Biological Laboratory .

それでは、コマンドラインインターフェースを使って、コンピュータに命令を与えてみましょう。今、Cygwinの画面には、

$

という文字が表示され、その右側でカーソルがチカチカしているはずです。ここに

pwd

と入力してみましょう。そうすると、

/home/user_name

と表示されたはずです（user_nameの部分は、それぞれWindows設定時に自分が決めたユーザー名.コマンドラインの操作を行う人は、この名前を短くしておく方が、後々の操作が楽になる。名前の変更は、コントロールパネルのユーザーアカウントから行える）。
この pwd というコマンドは、現在自分が操作しているディレクトリの位置を表示してくれる、便利なコマンドです（どのディレクトリを見ているのかわからなくなったら、すぐに pwd と入力しましょう）。
Unixライク環境のコマンドラインインターフェースでの多くの操作は、

・文字で命令を入力
・その命令をコンピュータが実行
・結果を出力：　画面に表示したり、ファイルに書き込んだり

という流れで行われます。今の pwd というコマンドでは、

・pwd という命令を入力
・現在のディレクトリをコンピュータが取得
・結果を画面に表示

という流れで進みました。では、ここで、結果の出力先をファイルに変更してみましょう。次のコマンドを入力してみてください。

pwd > current_d.txt

＞　という記号は、出力先をファイルにするということを意味しています。
タイピングが面倒な人は、マウスで選択してコピーし、Cygwinのウィンドウで右クリックすればいいです。 そうすると画面には、特に何も結果は表示されません。ではここで、

ls

と入力します。これは、ディレクトリの中のファイルやディレクトリを一覧するコマンドです。そうすると、

current_d.txt

という文字が表示されました。つまり、このディレクトリの中に、current_d.txt というファイルが存在していることを表しています。では、このファイルの中には何が入っているのでしょうか？ここで、lessというコマンドを使います。

less current_d.txt

そうすると、

/home/tkaji

という文字が表示されましたね。lessはファイルの中身を表示させる命令です。q を押すと、終了できます。
以上が、文字入力でコンピュータに命令を与える、Unixライク環境の基本操作です。結果はいつも、画面に表示されるか、ファイルとしてディスクに保存されます。

文字を使っファイルやディレクトリの表し方とディレクトリの構成 †

では、もう一度 pwd でカレントディレクトリを確認してみましょう。私のコンピュータでは、

/home/tkaji

と表示されていますが、これは、コンピュータのハードディスク上のどの位置にあるのでしょうか？スタートメニューから、マイコンピュータを開いてエクスプローラ（知らない人もいると思いますが、Windowsでファイルの一覧を表示させるソフトの名前です）の、ツールバーの「フォルダ」をクリックして、フォルダーをツリー表示させてみましょう。フォルダが次のような階層構造になっているのがわかります。
Unixライクな操作では、それぞれのフォルダのことを「ディレクトリ」と言います。また、それぞれのディレクトリは名前がついていて、pwd コマンドで表示されたように文字で表すことができます。

Windowsのハードディスクの中のフォルダの位置と、Cygwinのファイル構成でのディレクトリの対応を理解しておいてください。この授業でよく使うディレクトリは

/home/tkaji（ユーザーごとに違う名前/
/home/tkaji/sample1（解析ごとに違う名前）/
/usr/local/bin/　（実行形式ファイルの置き場所）

の３つです。では、試しに、sample1というフォルダをエクスプローラーを使って作成してみましょう。フォルダツリーでtkaji（ユーザーごとに違う名前）をクリックし、ファイルメニューから「新規作成／フォルダ」を選択して作った新しいフォルダに sample1 という名前をつけてください。
cygwinで、

ls /home/tkaji（ユーザーごとに違う名前）

と入力すると、

sample1  current_d.txt

という名前が表示されるのがわかります。でも、これでは、sample1がファイルなのかディレクトリなのかはわかりません。そこで、

 ls -l /home/tkaji（ユーザーごとに違う名前）

と入力してみましょう。-l はオプションで、表示の形式を変えるものです。ファイルやディレクトリの名前が縦に表示されており、一番左の文字が d になっているものがディレクトリ、それ以外はファイルを表しています。

-rw-r--r--  1 tkaji なし    12 Jan 20 04:42 current_d.txt
drwxrwxrwx+ 2 tkaji なし     0 Jan 20 05:21 sample1

今行った操作で大事なことは、

Cygwinの操作で解析等に使うファイルはWindowsからマウスのクリック操作で作れる
作ったファイルは、 /home/の下の、自分のディレクトリに入れておく

ということです。後でもう一度説明しますが、Windowsのソフトウェアと、Cygwinを行き来するときに、ディレクトリの場所を意識することがとても大切なので、覚えておいてください。

• おまけ：コマンド入力のやり直し：| Cygwinでは矢印キーの上矢印（↑）を押すと、前に入力した命令が表示されます。また、左右の矢印キーを使ってカーソルを移動させ、命令の内容を変更することもできます。

ディレクトリに関する基本命令 †

それでは、ディレクトリの基本構成が理解できたところで、基本命令（コマンド）のいくつかを試してみましょう。

• カレントディレクトリの表示： pwd
  最初に使ったコマンドです。
• ディレクトリの内容表示： ls
  これも何度か使いました。先ほどまでの操作がうまくできていると、自分のディレクトリでは、

  sample1  current_d.txt

  の２つが表示されるはずです。
• ディレクトリへの移動： cd これは、自分の今いるディレクトリから、他のディレクトリに移動するものです。つまり、カレントディレクトリを他のディレクトリに変更するコマンドです。たとえば、カレントディレクトリがユーザーホームのときに、を先ほど作成した sample1 というディレクトリに変更するには、

  cd sample1

  と入力します。もし、どこか別のディレクトリにいて、すぐに /home/tkaji/sample1に移動したいのなら、

   cd /home/tkaji（ユーザーごとに違う名前）/sample1

  と入力します。この

  /home/tkaji/sample1

  という表し方をフルパスと言います。左から順に、

  /          ルートディレクトリ
   home      ルートディレクトリの中のhomeというディレクトリ
    tkaji    ルートディレクトリの中のhomeというディレクトリの中のtkajiというディレクトリ
     sample1 ルートディレクトリの中のhomeというディレクトリの中のtkajiというディレクトリの中の
              sample1というディレクトリ

  というように、ディレクトリの階層構造を、最上位のルートディレクトリから、１行の文字列で表したものです。入力は面倒ですが、フルパスを入力すれば、ディレクトリからディレクトリへ一気に移動することができます。
  その他の便利な移動の仕方に、

  cd ..

  というものがあります。これは、カレントディレクトリから１つ上の階層のディレクトリに移動するものです。実際に入力して試してみましょう。これらはカレントディレクトリとの相対関係を記号で表すものです。

  ./　カレントディレクトリ自身
  .. カレントディレクトリから１つ上の階層のディレクトリ

• ディレクトリ間のファイルコピー： cp ; 移動： mv 、ディレクトリの作成 mkdir
  ソフトウェアのインストールをしたり、実際の解析をしたりする場合、ファイルのコピーや移動は必須の事項です。
  WindowsでUnixライク環境を構築したのですから、ファイルの移動、コピー、削除は、Windowsのエクスプローラーを使えば簡単にできます。なので、Unix系の命令は覚えなくてもいいのかもしれませんが、、なれてくると、命令を入力する方が楽に思えてくるので、覚えておきましょう。
  ここまでの操作で、自分のディレクトリには、

  sample1  current_d.txt

  というように、sample1 というディレクトリと、 current_d.txt というファイルが入っているはずです。ここで、current_d.txt をsample1 ディレクトリに移動してみます。

  mv current_d.txt sample1
  　同じことをフルパスで表記すると
  　　mv /home/tkaji/current_d.txt /home/tkaji/sample1/

  sample1フォルダに移動したcurrent_d.txtをもとのフォルダに別名でコピーしたいのなら、

  cp /home/tkaji/sample1/current_d.txt /home/tkaji/sample2.txt
   （フルパスで書きましたが、カレントディレクトリにまでは省略可能です）

  今コピーした sample2.txtというファイルを削除したい場合、

  rm /sample2.txt

  と入力します。 また、新しいディレクトリを作成したい場合、

  mkdir sample2

  です。
  なお、上にも書きましたが、ファイルやディレクトリ関係のこれらの操作は、Windowsからマウスを使ってすべて可能です。

テキストエディタによるデータファイルの作成と保存と改行コード †

Unixライク環境での解析に必要なデータファイルの編集は、viやemacsというエディタをCygwinから使うことも可能ですが、Windowsユーザーにとっては操作がそれほど簡単ではありません。先にインストールした、K2EditorなどのWindowsのテキストエディタを使う方が、ずーっと簡単です。ただし、WindowsとUnixライク環境を行き来する場合、改行コードに注意する必要があります。
改行コードというのはあまり聞き慣れない言葉かもしれませんが、文書（テキスト）で改行されている場所には、改行を示す目に見えない文字が入っています。しかも、それは、Windows、Unix、Macintoshの３者で異なっています.

Windows   CR+LF
Unix      LF
Macintosh CR

この違いが、Windows, Unix, Mac間でデータをやりとりする場合、いつも、問題になります。また、コンピュータ間でのデータのやりとりだけでなく、今回のように、WindowsのテキストエディタとUnixライク環境であるCygwinの間のやりとりや、Mac OSとMacのターミナル(Darwin)の間のやりとりでも、注意していなくてはなりません。
では、実際に、K2Editorでファイルを作成して、Cygwinに移動してみましょう。まず、K2Editorを起動して、

 ATGCGGTT
 ATGGCGTT
 ATGGAGTT

をコピーして、ペーストし、Cygwinの自分のデータフォルダに保存してください（私の場合、/home/tkaji/）。K2Editorで保存するときにファイルが表示されたら、ハードディスク c:の下のCygwinフォルダの中の、homeフォルダの中の自分のフォルダに、

test1.txt

という名前で保存します。
このとき、ファイル名を入力する欄の下の方に、

現在の文字コードと改行コードと保存

とかかれていますので、右側の▼をクリックして、

文字コードと改行コードを指定して保存

にしてください。そうすると次の画面で、「保存時の文字コードと改行の選択」ウィンドウが開くので、

文字コード　SJIS　（変更する必要は無いです）
改行コード  LF　　（Unixライク環境で使う場合は、必ず LF にする）

を選んで保存します。

Unixライク環境で使う場合、改行コードは必ず LF にする

を忘れないでください。

今後の操作でも、このようにK2Editorを使ってデータファイルを編集し、Cygwinのデータディレクトリに保存するという操作を繰り返します。^

解析用プログラムのインストール1：r8sの場合 †

Unixライク環境では、使用するコンピュータを選ばずにソフトウェアをインストールすることができるのですが、そのかわり、その環境に合った実行形式のプログラムファイルを作成するために、コンパイルという作業が必要になります。簡単に流れを説明すると、

・ソースコードをダウンロード（通常、tar等で１つのファイルにまとめられている）
・Windowsのeoやlha、Cygwinの中ならtarを使ってアーカイブを展開
・ソースコードのフォルダに移動し、make　を使ってコンパイル
・できた実行形式ファイル（Windowsでは.exeという拡張子がついている）を
   /usr/local/bin/ 等のパスの通ったディレクトリに移動しておく

ということになります。以下、r8sという解析プログラムのインストールを例に説明します。

• r8s を右のサイトからダウンロード　http://loco.biosci.arizona.edu/r8s/
  eoなどの解凍ソフトがインストールされていたら、ファイルが自動的に展開されて、r8s1.71というフォルダができる。
  Download r8s from the site above. You will have a folder named "r8s1.71" on your desktop.
• このフォルダを、c:\cygwin/home/user1 に移動
  Move the folder to c:\cygwin/home/user1.
• r8sのインストール: Installation of r8s
  cygwinを立ち上げ、以下のコマンド($ の後の文字）を順番に入力
  Start Cygwin and input following commands. Each command is shown after $.

  $ pwd
  /home/user1	#自分が今いるディレクトリ: Your current directory
  
  $ ls		#そのディレクトリの内容をリスト:  List the contents of the current directory
  r8s1.71  sample
  
  
  $ cd r8s1.71	#r8s1.71というディレクトリに移動: Move to the directory "r8s1.71"
  
  $ ls
  bin  doc  sample  src
  
  $ cd src	#srcディレクトリに移動:  Move to the directory "src"
  
  $ make		#コンパイル。うまくゆくと、srcディレクトリ内にr8s.exeができる。
                           Compile with this command.  You will have "r8s.exe" if succeed.
  
  $ mv r8s.exe /usr/local/bin	#できた実行形式ファイルを、/usr/local/binに移動: 
                   #Move the binary file to /usr/local/bin
  	        #こうしておくと、ファイル名だけで実行できる
                 # You can execute the .exe files in /usr/local/bin from any directories
  $ ls /usr/local/bin		#ちゃんと移動できたことを確認:  Confirm if the file was moved.
  r8s.exe

• 起動テスト： test run of r8s

  $ r8s -v			#起動テスト: Test starting r8s.  You will see the version.
  r8s version 1.71 (compiled Dec 12 2007)
  r8s version 1.71 (Dec 12 2007)
  
  r8s>quit			#起動テスト終了:  quit r8s.
  
  $ cd /home/user1/r8s1.71/sample　　　　
                  #sampleファイルのディレクトリに移動: Move to the sample directory
  
  $ ls
  SAMPLE_1.7          SAMPLE_CROSSVAL  SAMPLE_LOCAL_CLOCK  SAMPLE_SUPERTREE
  SAMPLE_CONSTRAINTS  SAMPLE_FLU       SAMPLE_SIMPLE
  
  $ r8s -f SAMPLE_SIMPLE          #sampleファイルを一つ解析してみる。結果がすぐに表示される。
        Analyze one of the sample file.  You will see the result soon.

解析用プログラムのインストール2: RaxMLの場合 †

• RAXML http://icwww.epfl.ch/~stamatak/index-Dateien/Page443.htm
  • 最新版(2009年1月時点ではRAxML 7.0.4）をダウンロードして展開
  • Cygwinの自分のホームディレクトリに移動させる
  • 同サイトからマニュアルをダウンロードし、Installに関するところを読む。コンパイル(compile)の方法が書いてある。
  • RAxML7.0.4のディレクトリに移動し、自分のコンピュータ環境に適したmakefileを用いてコンパイル（命令文をcygwinにコピー・ペースト）
    • 今回の演習の場合、

       make -f Makefile.gcc

  • できた実行形式ファイルを /usr/local/bin に移動させる

解析用プログラムのインストール3：PAML, Multidivtimeの場合 †

Installation of PAML etc to /usr/local/bin/
これらのファイルはWindowsの実行形式ファイルがダウンロードでき、のコマンドプロンプトというコマンドラインインターフェースからでも実行できる点が、上でコンパイルしたr8sと異なっています。ただ、コマンドプロンプトを使う場合、パスの設定が面倒な場合があります。また、cygwinの機能（シェルなど）を使う方が、コマンド入力や解析が便利な場合があります。そこで、実行形式ファイル（exeファイル）をパスの通ったc:\cygwin//usr/local/binにまとめておきましょう。
To use PAML and Multidivtime easier, I recommend you to install them under c:\cygwin/home/user1/.

• PAMLのダウンロードと動作確認 [#c17db6c1]
  • 右のサイトからPAMLをダウンロード。　http://abacus.gene.ucl.ac.uk/software/paml.html
    eo等がインストールされていれば、paml4というフォルダが自動的に展開される。この中のbinフォルダに入っている以下9つのexeファイルを、すべて、　c:\cygwin/usr/local/bin に移動。
    Download PAML from the site above,, and move 9 executable files under the bin folder of paml4 folder to c:\cygwin/home/user1/.

    baseml.exe
    basemlg.exe
    chi2.exe
    codeml.exe
    evolver.exe
    mcmctree.exe
    pamp.exe
    TreeTimeJeff.exe
    yn00.exe

  • cygwinで確認　　　　　#下の様に表示される。
    Confirm by ls if the files have moved.

    $ ls /usr/local/bin
        TreeTimeJeff.exe  basemlg.exe  codeml.exe   mcmctree.exe  r8s.exe
        baseml.exe        chi2.exe     evolver.exe  pamp.exe      yn00.exe

  • paml4フォルダをc:\cygwin/home/user1/ディレクトリにコピー。doc, bin, src, Technicalというディレクトリは不要なので削除。
    Move paml4 folder to c:\cygwin/home/user1/ . You can delete doc, bin, src, Technical directories. Just type follwing commands to run a test analysis.

    $ ls /home/user1
       paml4

  • cygwinで下記の様に入力して、codemlの動作確認]

    $ cd /home/user1/paml4
    $ codeml　　　#解析結果が画面に表示される

• Multidivtimeのダウンロードとインストール
  • 右のサイトからmultidivtimeをダウンロード：　http://statgen.ncsu.edu/thorne/multidivtime.html
    デスクトップ上にmultidistributeというフォルダができる。フォルダを開いて種類で並び替え、以下４つのファイルを c:\cygwin/usr/local/binに移動。

    estbranches_aa.exe
    estbranches_dna.exe
    multidivtime.exe
    paml2modelinf.exe

  • cygwinで確認　　　　　#下の様に表示される。

     $ ls /usr/local/bin
        TreeTimeJeff.exe  chi2.exe            estbranches_dna.exe  multidivtime.exe   r8s.exe
        baseml.exe        codeml.exe          evolver.exe          paml2modelinf.exe  yn00.exe
        basemlg.exe       estbranches_aa.exe  mcmctree.exe         pamp.exe

  • サンプルファイルの入ったフォルダ, multidistribute を/home/user1にコピーしておく。| Pamlの場合と同様に、サンプルファイルの入ったフォルダの中から、multidivtimeの実行ファイルを実行できる。

その他、Cygwin環境で使うと便利なソフトウェア †

Other useful softerwares under cygwin environment

• MrBayes http://mrbayes.scs.fsu.edu/
• MrModeltest http://www.abc.se/~nylander/
  
  いずれも、上で説明した他のソフトウェアと同様に、ダウンロードしたら、c:\cygwin/usr/local/bin/　に入れておく。Unix系の操作が必要な解析のデータファイルはいつも自分のホームディレクトリ(/home/user1)に入れておくと決めておくとよい。。解析ごとにサブディレクトリをつくれば、データの整理が簡単になる。
  After downloading from above sites, move executable files to c:\cygwin/usr/local/bin/. To put data files in order, making data directories under your home directory (/home/user1 (or your own user name)) is recommendes.