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Koichi Nakamura
June 06, 2015
Programming
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第11回 カーネル/VM 探検隊
Koichi Nakamura
June 06, 2015
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Transcript
アセンブリ言語のみで 言語処理系を作った話 (原題: ブートストラッピングで言語処理系を作った話) 第11回 カーネル/VM探検隊 中村 晃一
本日の資料・コード •https://speakerdeck.com/nineties/bootstrap •https://github.com/nineties/amber
自己紹介 • 中村晃一(@9_ties) • IoTデバイスを作っています • idein.jp • 課外活動 •
圏論勉強会、パターン認識・機械学習勉強会などの講師
処理系作りが趣味でした • 学生実験でコンパイラ係に • O’CamlでminCamlコンパイラを作ったり • Haskellでも作りました github.com/nineties/Choco • 大学院では最適化コンパイラの研究をしました
• 特殊なプロセッサの為のコンパイラを書いたり • 型推論器を書いたり
自分の言語を作ろうと思いました • 言語名: 最初はrowl ⇒ 後にamber • ただ作るだけでなくその過程を楽しみたい • どうやったら楽しめるだろうか?
縛りを入れて作ろう • ルール 1. 実装言語はアセンブリ言語のみ 2. 既存ライブラリは使ってはならない 3. コード生成ツールは使ってはならない libcなど
Cなどの高級言語 flex/bisonなど
作戦:ブートストラッピング アセンブリ言語でちょっと高級な言語1の処理系を書く 言語1でもうちょっと高級な言語2の処理系を書く 言語kでamberの処理系を書く amberでamberの処理系を書く 今ココ(暫らく放置中)
何の意味があるの? • 純粋に楽しみとして • 知識・技術・ノウハウを磨くのに役に立つかも • 効率の良い学習方法ではありませんが・・・ • ツール群を作った先人への尊敬と感謝が芽生える
以下ダイジェストでお見せします
1.アセンブリで言語「rowl0」を実装
アセンブリより少し高級な言語を作ります • 言語名: rowl0 • コンパイラ名: rlc
トークンの正規表現から
状態遷移図を書いて
状態遷移表にして
レキサを作ります
文法をBNFで書いたら
再帰降下法でパーサを作ります
コード生成はパースと同時にやりました • この時点でメモリ管理を実装 するのは面倒 ⇒ 構文木作るの面倒 コード生成
最初の言語「rowl0」が完成! • 変数管理が出来ない • 関数引数はp0,p1,p2,... • ローカル変数はallocate(n)でスタックメモ リを確保し x0,x1,x2,...で参照
2.「rowl0」でLISP系言語「rowl-core」を実装
一旦LISPを作る事にしました • 言語名: rowl-core • インタプリタ名: rlci • 実装が容易 •
メタプログラミングによる生産性向上
さっきと同じ感じでレキサ・パーサを作る
アセンブリよりかなり記述が楽
evalも作っていきます。
メモリ管理はまだしません • mmapしか使えないので負担が大きい 1. 不要になったメモリは回収しない 2. 足りなくなったら新たに確保 3. 動かし続けるといつか死ぬ •
次の世代のコンパイルだけ出来ればあと不要なので良しとした malloc, free
LISP系言語「rowl-core」が完成! • lambdaやmapが使えたり • マクロが使える!
3.「rowl-core」で「VM記述言語」を作る
次の世代では仮想マシンを導入します。 • その為の「VM記述用言語」を作成。 • LISPの強みを生かして、言語内DSLとして作成 • レキサ・パーサの実装は不要!
こんな感じでVM用コンパイラを書きます
今回は高階関数とかも使えます • 生産性がぐっと向上!
4.「VM記述言語」で仮想マシン「rlvm」を実装
言語内DSLでVMのコードを書いていきます
ガベコレもようやく実装します • コピーGCにしました
組み込み関数も作っていきます
ここでメタプログラミングの活用例を紹介します • 以下は、VMの命令セットのテーブル
命令テーブルから色々自動生成します • 命令の追加・削除を自 動的に反映 • LISPだとこういう仕組み 作るのが楽な気がする vm_instructions VMのevalループ リンカ
ディスアセンブラ アセンブラ amber内部で使うアセンブラ
命令セットを作っていきます
浮動小数点数演算や
多倍長整数演算なども用意しました
例外機構なども作ります
継続も作ってみました
仮想マシン「rlvm」が完成! • 186命令 • スタックマシン • コピーGC • 例外機構 •
shift/reset限定継続 • 浮動小数点数演算、多倍長整数演算
5.VM用ツールチェインを作る
VMは出来たがプログラミング環境がない • VM上のツールチェインを作る • VM用中級言語「rowl1」 • アセンブラ • コンパイラ •
リンカ • ディスアセンブラ
言語・アセンブラ・コンパイラを作ります • これらは次世代で捨てるので「rowl-core」の言語内DSLにします
リンカ、ディスアセンブラを作ります • 「rowl1」で記述し、これら自身もVM上で動くように実装 • リンカはメモリを食うのでGCのある環境でやりたかった
ディスアセンブラの出力はこんな感じ
VM上でプログラミングが可能に! • 分割コンパイルが出来る • デバッグもしやすい • メモリも潤沢に使える • 例外とかも使える •
普通の事が出来るようになっただけ・・・でも達成感がとても大きい!
6.「rowl1」で「amber」を実装
いよいよamberの実装に入ります • 動的スクリプティング言語として作る • インスタンスベースオブジェクト指向 • 先ほど作った「rlvm」上で動作
アセンブラを作ります • さっき作ったアセンブラは プログラム実行前にコンパイル • これは、プログラム実行時に その場でコンパイル • アドレスはバックパッチ
オブジェクトシステムを作ります • スロット、メッセージ、 ペアレントへの委譲
オブジェクトシステム上に中核機能を作っていきます • 動的パターンマッチングエンジンと • 部分関数関数の融合メカニズム
この上にコンパイラを作ります • コンパイラ自体を通常のオブジェクトとして実装 VM オブジェクトシステム パターンマッチングエンジン コンパイラ amberのコアシステム 構文木のマッチング リソース管理
クロージャ変換も実装しました
この上にパーサを作ります • 実行時にパーサをコンパイル • 各パーサは通常のオブジェクト(クロージャ) VM オブジェクトシステム パターンマッチングエンジン コンパイラ amberのコアシステム
コンパイル パーサ
とてもシンプルな文法 1. リテラルは式である 2. hがシンボル、e1,..,en (n>=0) が式の時h{e1, ..., en}も式である 3.
以上で定まるもののみがamberの式である • これと、あるトリックを後で組み合わせる
Packrat法で実装します • 後のトリックのため • 従ってレキサ不要
浮動小数点数のエンコード・デコードは苦労します • libcが無いので自分で作ります • 先ほど作った多倍長整数演算が必要になります “3.14” 0x40091eb851eb851f stortod, sprintf
amberが完成! • 動的スクリプティング言語 • VM上で動作 • インスタンスベースオブジェクト指向 • 動的パターンマッチングエンジンと部分関数融合が中核機能 •
レキシカルクロージャ • すごく高級になってきた!
7. 「amber」の標準ライブラリを作る
amberのテーマは自己拡張性 • amberの文法は標準ライブラリで定義されている • amber/lib/syntax/parse.ab • 起動時に自身の文法を構築する
起動時はリテラルとh{e1,..,en}という文法だけ
amberの文法を定義する為の文法を定義する
今定義された文法でamberの文法を定義する
続いてマクロシステムを作る
マクロで更に文法を増強
リッチな構文が使えるようになりました
オブジェクトシステムも増強します
継承などが使えるようになりました
ここで開発停止です • 更新予定はありません • 以下でインタプリタが起動(Linuxのみ) • makeのログで以上のブートストラッピングの過程を見てみましょう % git clone
https://github.com/nineties/amber.git % cd amber % make; sudo make install % amber
まとめ rowl0 rlc rlci rowl-core as VM記述言語 rlvm rowl1 リンカ
ディスアセン ブラ コンパイラ コンパイラ amber インタプリタ 実装 実装 実行 言語 ツール • 大分高級な所まで到達出来たので満足
None