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![番地 スタックの状況（空でスタート） 解説
0000 putobject 10 # [10] スタックに 10 をプッシュ
0002 setlocal a, 0 # [] a にスタックトップの 10 をセット
0005 getlocal a, 0 # [10] a の値をスタックにプッシュ
0008 putobject 1 # [10, 1] 1 をスタックにプッシュ
0010 send <callinfo!mid:>, argc:1, ARGS_SIMPLE>,
<callcache>, nil 10.>(1) というメソッド呼び出し
# [true] その結果（true）をプッシュ
0014 branchunless 27 # [] スタックトップの値が false or nil なら 27 へ
0016 jump 18 # [] 無条件に 18 へジャンプ
0018 putself # [self] self をスタックへプッシュ
0019 putobject :ok # [self, :ok] :ok をスタックへプッシュ
0021 send <callinfo!mid:p, argc:1, FCALL|ARGS_SIMPLE>,
<callcache>, nil p(:ok) を実行
# [:ok] 結果の :ok をスタックにプッシュ
0025 jump 34 # [:ok] 無条件に 34 へジャンプ
0027 putself
0028 putobject :ng
0030 send <callinfo!mid:p, argc:1, FCALL|ARGS_SIMPLE>,
<callcache>, nil
0034 leave # [] このコードを終了する（積んであった :ok を返す）
スタックマシンの実行を解説
すべての計算が、
「スタックから値を取り出し」、「スタックに積む」ことで実現されていることがわかればOK](https://image.slidesharecdn.com/cookpadinternship2017sasada-170831002609/85/Cookpad-17-day-Tech-internship-2017-Ruby-20-320.jpg)
![ツール
ISeq Array 相互変換
• 今回は ISeq Array 相互変換の仕組みを利用
• ary = iseq.to_a #=> 配列を生成
• ISeq.load(ary) #=> ISeq
• VM命令は、この配列によって生成可能
• …しかし、いちいち配列を作るのは面倒くさい
pp ISeq.compile(‘’).to_a # 何もないプログラムの場合
["YARVInstructionSequence/SimpleDataFormat",
2, 3, 1,
{:arg_size=>0, :local_size=>0, :stack_max=>1},
"<compiled>", "<compiled>",
nil, 1, :top, [], {}, [],
[[:putnil], [:leave]]] # バイトコード部分はここだけ](https://image.slidesharecdn.com/cookpadinternship2017sasada-170831002609/85/Cookpad-17-day-Tech-internship-2017-Ruby-30-320.jpg)
![YASMの使い方：メソッド定義
define_method_macro
•メソッドボディの ISeq の生成＋メソッド定
義命令列を生成するメソッド
# define_method_macro の利用例
# def foo(a); p(a); end を行う命令列を生成
define_method_macro :foo, parameters: [:a] do
putself
getlocal :a
send :p, 1, YASM::FCALL
leave
end
# ここにメソッドを定義する命令列が挿入される
pop # 定義後、method 名のシンボルがスタックに積まれているので、pop
putself
putobject 123
send :foo, 1, YASM::FCALL # foo(123)](https://image.slidesharecdn.com/cookpadinternship2017sasada-170831002609/85/Cookpad-17-day-Tech-internship-2017-Ruby-58-320.jpg)
![YASMの使い方：メソッド定義
define_method_macro
•define_method_macro を使った結果を確認
iseq = YASM.asm do
define_method_macro :foo, parameters: [:a] do
putself
getlocal :a
send :p, 1, YASM::FCALL
leave
end
leave
end
puts iseq.disasm
ruby 2.5.0dev (2017-08-04 trunk 59496) [x64-mswin64_140]
== disasm: #<ISeq:<compiled/yasm(top)>@yasm.rb:181:in `<main>'>=========
0000 putspecialobject 1 …
0002 putobject :foo
0004 putiseq foo
0006 send <callinfo!mid:core#define_method, argc:2>, …
0010 leave
== disasm: #<ISeq:foo@yasm.rb:79:in `define_method_macro'>==============
local table (size: 1, argc: 1 [opts: 0, rest: -1, post: 0, …
[ 1] a<Arg>
0000 putself ( 1)
0001 getlocal a, 0
0004 send <callinfo!mid:p, argc:1, FCALL>, <callcache>, nil
0008 leave](https://image.slidesharecdn.com/cookpadinternship2017sasada-170831002609/85/Cookpad-17-day-Tech-internship-2017-Ruby-59-320.jpg)
![ヒント：Node の構成
• Ruby2AST.to_ast(script) の結果を見て、ノードのデータ構造をチェック。
• ast2iseq/ruby_nodes.rb に定義。
• ProgramNode
• SequenceNode
• NilNode
• SelfNode
• LiteralNode
• StringLiteralNode
• LvarAssignNode
• LvarNode
• SendNode
• IfNode
• WhileNode
• DefNode
• 図にしてみるとわかりやすい？
# “1 + 2” というプログラムのノード
#<ProgramNode
@seq_node =>
#<SequenceNode
@nodes => [
#<SendNode
@type => :call
@receiver_node => #<LiteralNode @obj => 1>
@method_id => :+
@argument_nodes => [ #<LiteralNode @obj => 2>]>]>>
# “1” というプログラムのノード
#<ProgramNode
@seq_node => #<SequenceNode @nodes =>
[ #<LiteralNode @obj => 1>]>>](https://image.slidesharecdn.com/cookpadinternship2017sasada-170831002609/85/Cookpad-17-day-Tech-internship-2017-Ruby-74-320.jpg)
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- 27. 課題A ヒューマンコンパイラ •「コンパイラの気持ちになって考えよう」 •Ruby プログラムを見て、VMのバイトコードを 人力で生成しよう。 •（別の言い方をすると）Ruby 言語をスタック 型言語（VMアセンブラ）書き直してみよう。
- 28.
- 29. ツール RubyVM::InstructionSequence •組み込みクラス RubyVM::InstructionSequence •略して ISeq •バイトコードを扱うためのクラス #example ISeq = RubyVM::InstructionSequence # 長いので iseq = ISeq.compile(script) #=> ISeq を生成 p iseq.eval #=> iseq を実行（結果表示） puts iseq.disasm #=> 逆アセンブル結果を表示
- 30. ツール ISeq Array相互変換 • 今回は ISeq Array 相互変換の仕組みを利用 • ary = iseq.to_a #=> 配列を生成 • ISeq.load(ary) #=> ISeq • VM命令は、この配列によって生成可能 • …しかし、いちいち配列を作るのは面倒くさい pp ISeq.compile(‘’).to_a # 何もないプログラムの場合 ["YARVInstructionSequence/SimpleDataFormat", 2, 3, 1, {:arg_size=>0, :local_size=>0, :stack_max=>1}, "<compiled>", "<compiled>", nil, 1, :top, [], {}, [], [[:putnil], [:leave]]] # バイトコード部分はここだけ
- 31. ツール YASM: YARV Assember •yasm.rb •RubyVM 用アセンブラ •命令を素直に Ruby で書けば、ISeq を生成可能
- 32. ツール YASM: ISeq の配列を便利に作る仕組み #YASM example iseq = YASM.asm label: ‘integer:1' do # ブロックに命令を書くことで ISeq 生成 putobject 1 leave end p iseq.eval #=> 1
- 33. 課題A「ヒューマンコンパイラ」の進め方 •課題ファイル asm/task.rb • テストケースになっている。 •どんどんアセンブラを埋めていこう。 •調査のための方法 • yasm.rb の最後に直接記述 • 最後の “# fill your asm here” の箇所にアセンブラ記述 • “$ ruby yasm.rb” で ISeq と実行結果を表示 • try.rb の script 変数に調べたい Ruby プログラム文字列 を入力し、実行すると、正解データ（逆アセンブ ラ）が出てくるので参考にしよう。 • ほかの人・TA・講師にどんどん聞こう。
- 34. YASMの使い方 起動 •asm/task.rb に解答を書いた場合 •$ rubyasm/task.rb •答えが想定と異なればエラー出力し実行終了 •yasm.rb に直接書いた場合 •$ ruby yasm.rb •これで実験できる
- 35. YASMの使い方 基本 •プログラムの終わり方 • leave 命令:プログラムの最後は必ず leave • スタックトップを返値として返す • つまり、スタックトップに値が一つ（だけ）必要 •スタック操作 • putobject X # スタックに X（整数や true/false）を積む • putnil # nil を積む • putstring “xxx” # スタックに文字列 “xxx” を積む • pop # スタックから一要素取り外す • dup # スタックの一番上と同じものをもう一つ積む
- 36.
- 37.
- 38.
- 39. YASMの使い方 ローカル変数アクセス •命令 •getlocal :lvar #変数 lvar の値をスタックトップに •setlocal :lvar # 変数 lvar の値をセット •:lvar のように変数名をシンボルで指定 •逆アセンブラ表記とちょっと違うので注意 •getlocal lvar, 0 のように出てくる。 •yasm では 0 を省略可能（書いても良い）。
- 40. 課題A-2 ローカル変数 •ローカル変数のset, getを含むプログラムを変換 •“a = 1; a”（設定して、取得している） •Hint: putobject, getlocal, setlocal を利用
- 41. 課題A-3 self, nil •“self”を返すプログラムを実装 •ローカル変数と合わせると、“a = self” が動く •“nil” というプログラムを実装 •Hint: putself, putnil を利用
- 42. YASMの使い方：メソッド呼び出し Ruby のメソッド呼び出し再入門 •receiver.method_name(p1, …,pn) • レシーバ（receiver）のある普通のメソッド呼び出し • method_name: メソッドの名前 • p1, …, pn: n 個の引数 •method_name(p1, …, pn) • レシーバが省略されたメソッド呼び出し • self が省略されている • private メソッドを呼ぶことができる（pなど）
- 43. YASMの使い方：メソッド呼び出し Ruby のメソッド呼び出し再入門 •binary operator（二項演算子） •1+2は 1.+(2) というメソッド呼び出し • receiver: 1 • メソッド名: +（Symbol では “:+”） • 引数は 2 （１個だけ）
- 44. YASMの使い方：メソッド呼び出し send 命令を利用 # 逆アセンブラの表記（1+2=> 1.+(2) の逆アセンブラ） 0000 putobject 1 # レシーバを積む 0002 putobject 2 # 1番目の引数を積む 0004 send <callinfo!mid:+, argc:1, ARGS_SIMPLE>, <callcache>, nil 0008 leave # アセンブラでの表記 putobject 1 putobject 2 send :+, 1 # 簡単！（ARGS_SIMPLE は無視） leave よくわからない…
- 45. YASMの使い方：メソッド呼び出し send 命令の書き方 •send method_id,argc, flag（ないなら省略可能） •method_id はメソッド名のシンボル（:p など） •argc は引数の数 •flag はメソッド呼び出しの種類（省略可能） • 1+2 は 1.+(2) なので send :+, 1（flagなし） • foo() のように self が無い→ YASM::FCALL • p(1) は、send :p, 1, YASM::FCALL • ほかのフラグは無視してよい
- 46. YASMの使い方：メソッド呼び出し send 命令の使い方 •スタック上に、receiver と引数を積みsend • receiver.mid(引数1, …, 引数n) の場合 • receiver, 引数1, 引数2, …, 引数nを積む命令群 • send :mid, n • 実行後、receiver.mid(引数1, …, 引数n) の結果だけが 積まれる •receiver がない（mid(…) の場合）も、receiver と して self を積んでおく（YASM::FCALL を指定）
- 47. receiver param1 param2 … paramN result send :mid, N YASMの使い方：メソッド呼び出し send命令の使い方（VMスタック） receiver.mid(param1, …, paramN) の場合
- 48. self param1 param2 … paramN result send :mid, N,YASM::FCALL YASMの使い方：メソッド呼び出し send 命令の使い方（VMスタック） mid(param1, …, paramN) の場合
- 49. self :ok result (:ok) send :p,1, YASM::FCALL YASMの使い方：メソッド呼び出し send 命令の使い方（VMスタック） p(:ok) の場合 （receiver として self を積む）
- 50. 1 2 3 send :*, 1 YASMの使い方：メソッド呼び出し send命令の使い方（VMスタック） 1 + 2 * 3 の場合 1 result (6) send :+, 1 result (7) 1 1 + ?? 2 * 3 1 + 6
- 51. 課題A-4 メソッド呼び出し •receiver のあるプログラムを変換 •“1< 10” つまり “1.<(10)” というプログラム •receiver のないプログラムを変換 •“p(1)” というプログラム •Hint: receiver の putself を忘れずに
- 52. 課題A-4’ メソッド呼び出し（組み合わせ） •組み合わせる（いろんなことが出来る） •“1 -2 * 3” #=> -5 •“a = 1; b = 2; c = 3; a - b * c” #=> -5 •“a = 10; p(a > 1)” #=> true •“p(‘foo’.upcase)” #=> ‘FOO’
- 53. YASMの使い方：ジャンプ命令とラベル •逆アセンブラでは、ジャンプ先はアドレス → アドレス計算は面倒なので、ラベルで指定 •ジャンプ命令 • jump:label_name • branchif :label_name • branchunless :label_name •ラベル • label :label_name # example label :begin putself putobject 1 send :p, 1, YASM::FCALL jump :begin # begin ラベルへジャンプ # つまり無限ループ
- 54. 課題A-5 if 文 •例題として出したプログラムを変換 •Hint:label と branchif or branchunless を上手に使う # Ruby script a = 10 if a > 1 p :ok else p :ng end
- 55. 課題A-5’ else の無いif 文は？ •else の無い次のプログラムを変換 •Hint: 実際に実行して、if文の値を確かめよう # Ruby script (1) a = 10 if a > 1 p :ok end # Ruby script (2) a = 10 if a < 1 p :ok end
- 56. 課題A-6 while 文 •ヒント：jumpと branch* で while を表現。 •ヒント：pop 命令を（多分）利用します。 a = 0 while(a < 10) p a a += 1 #=> a = a.+(1) end a #=> 10
- 57. YASMの使い方：メソッド定義 •“core#define_method” という特殊なメソッドを利用 • 実は、Rubyのメソッド定義は特殊なメソッド呼び出しに よって行われている • Rubyだと: SpecialObject. core#define_method(:mid, iseq) •ISeq を生成し、この “core#define_method” を呼ぶ •… が、面倒くさい # プログラム例 # SpecialObject. core#define_method(:mid, iseq) m_iseq = YASM.asm(…) do … end putspecialobject 1 # レシーバ：SpecialObject を取り出す putobject :mid # 第一引数：メソッド名 putiseq m_iseq.to_a # 第二引数：メソッドの実体 send :“core#define_method”, 2 # 呼び出し # 特殊なメソッド名であることに注意
- 58. YASMの使い方：メソッド定義 define_method_macro •メソッドボディの ISeq の生成＋メソッド定 義命令列を生成するメソッド #define_method_macro の利用例 # def foo(a); p(a); end を行う命令列を生成 define_method_macro :foo, parameters: [:a] do putself getlocal :a send :p, 1, YASM::FCALL leave end # ここにメソッドを定義する命令列が挿入される pop # 定義後、method 名のシンボルがスタックに積まれているので、pop putself putobject 123 send :foo, 1, YASM::FCALL # foo(123)
- 59. YASMの使い方：メソッド定義 define_method_macro •define_method_macro を使った結果を確認 iseq =YASM.asm do define_method_macro :foo, parameters: [:a] do putself getlocal :a send :p, 1, YASM::FCALL leave end leave end puts iseq.disasm ruby 2.5.0dev (2017-08-04 trunk 59496) [x64-mswin64_140] == disasm: #<ISeq:<compiled/yasm(top)>@yasm.rb:181:in `<main>'>========= 0000 putspecialobject 1 … 0002 putobject :foo 0004 putiseq foo 0006 send <callinfo!mid:core#define_method, argc:2>, … 0010 leave == disasm: #<ISeq:[email protected]:79:in `define_method_macro'>============== local table (size: 1, argc: 1 [opts: 0, rest: -1, post: 0, … [ 1] a<Arg> 0000 putself ( 1) 0001 getlocal a, 0 0004 send <callinfo!mid:p, argc:1, FCALL>, <callcache>, nil 0008 leave
- 60. 課題A-7 メソッド定義 def fib(n) ifn < 2 1 else fib(n – 2) + fib(n-1) end end fib(10) # param def foo(a) a end foo(100) # no param def foo() end 引数+呼び出し fib 定義と fib(10) の呼び出し
- 61.
- 62. 簡単な最適化の例 ピープホール（のぞき穴）最適化 # 例 a =1 if a > 10 1 else 2 end # no-opt putobject 1 setlocal :a, 0 getlocal :a, 0 putojebt 10 send :>, 1 branchunless :else jump :body label :body putobject 1 jump :end label :else putobject 2 label :end leave # w/ peephole opt putobject 1 setlocal :a, 0 getlocal :a, 0 putojebt 10 send :>, 1 branchunless :else putobject 1 leave label :else putobject 2 leave
- 63. 課題A-8 •Rubyでコンパイルした fib() と、自分でアセン ブルしたfib() の速度比較をしよう。 •asm/asmfib.rb に task.rb から fib 定義部分をコピペ •実行して比較（それぞれ fib(35) 実行時間を計測） • $ time ruby asm/asmfib.rb 35 • $ time ruby asm/fib.rb 35 •ついでに、asm/fastfib.rb も調べてみよう （fib(10_000) など呼んでみよう）
- 64.
- 65. 余談：DSL Domain Specific Language •「問題を解くには、まずは言語を作る」 •DSL:Domain Specific Language •外部DSL •内部DSL •YASM は内部DSL •C のアセンブラを見たことがありますか？ •それに対して、YASM はどうでしたか？
- 66. 発展課題A • もっといろんなRubyプログラムを変換 • 例えば •(インスタンス|グローバル|クラス)変数 • 定数 • ブロックに対応 • 例外処理に対応 • 取り組み方 • ISeq#dump, #to_a の結果をじっと見る • Ruby のソースコード（C）をじっと見る • yasm.rb を変更・拡張する
- 67.
- 68.
- 69. 課題B: AST (nodetree) → Bytecode (ISeq) 0000 putobject 10 0002 setlocal a, 0 0005 getlocal a, 0 0008 putobject 1 0010 send <callinfo!mid:>, argc:1, ARGS_SIMPLE>, <callcache>, nil 0014 branchunless 27 0016 jump 18 0018 putself 0019 putobject :ok 0021 send <callinfo!mid:p, argc:1, FCALL|ARGS_SIMPLE>, <callcache>, nil 0025 jump 34 0027 putself 0028 putobject :ng 0030 send <callinfo!mid:p, argc:1, FCALL|ARGS_SIMPLE>, <callcache>, nil 0034 leave Ruby Bytecode ASTProgram LvarAssign if a 10 Lvar send a > 1 send (fcall) p :ok send (fcall) p :ng Seq Literal Literal Literal Literal
- 70. 課題Bの進め方 •ast2iseq/ast2iseq.rb のast2iseq(ast)を完成させよう。 • ast2iseq_visitor.rbの中身を ast2iseq.rb にコピペ。 • visitor pattern によるast2iseq() のスケルトンがある。 • 参考までに全部で 3 パターン用意 • ast2iseq_visitor.rb: visitor pattern を利用 • ast2iseq_func.rb: 再帰関数で case/when を利用 • ast2iseq_composite.rb: composite pattern を利用 • 違いを考察するのも面白いかも？ • 答えも用意（ast2iseq_ans_....rb） • あまり見ないでね。
- 71. 課題Bの進め方（試行錯誤） 1. ast2iseq メソッドを（途中まででも）作る 2.ファイル下部にある script 変数にコンパイル対象の Ruby ス クリプトを入力（例: 1+2） 3. “$ ruby ast2iseq/ast2iseq.rb” を実行 1. Ruby2AST.to_ast(script) で、Ruby を AST に変換（ついでに見やすく 出力） 2. ast2iseq(AST) を実行 a. 未完成なのでエラー b. 実装済みなので正しい答えを得る 4. 3 の結果を見て、じっくり考えて 1 に戻る（迷ったら try.rb で本家Rubyのコンパイル結果の逆アセンブラを見る）
- 72. 課題Bの進め方（テスト） •iseq2ast/test.rb を通す •このファイルを実行すると、開発した ast2iseq を使い、課題Aの各コードをコンパイル、実行 し、正しい答えであるかをチェックする。 •最終的に全部テストが通ったらOK
- 73. ヒント：YASM の使い方 •YASM::asm の代わりにYASM.new を利用 # example yasm = YASM.new(label: …) # YASM.asm と同じ引数 yasm.putnil # yasm.leave # ２命令生成 iseq = yasm.to_iseq # ２命令分の ISeq を生成 puts iseq.disasm # 逆アセンブル iseq.eval # 実行
- 74. ヒント：Node の構成 • Ruby2AST.to_ast(script)の結果を見て、ノードのデータ構造をチェック。 • ast2iseq/ruby_nodes.rb に定義。 • ProgramNode • SequenceNode • NilNode • SelfNode • LiteralNode • StringLiteralNode • LvarAssignNode • LvarNode • SendNode • IfNode • WhileNode • DefNode • 図にしてみるとわかりやすい？ # “1 + 2” というプログラムのノード #<ProgramNode @seq_node => #<SequenceNode @nodes => [ #<SendNode @type => :call @receiver_node => #<LiteralNode @obj => 1> @method_id => :+ @argument_nodes => [ #<LiteralNode @obj => 2>]>]>> # “1” というプログラムのノード #<ProgramNode @seq_node => #<SequenceNode @nodes => [ #<LiteralNode @obj => 1>]>>
- 75. ヒント：ラベルの使い方 •ラベルはユニークである必要がある •label :begin がプログラム中に2 箇所出てきたら、 どっちに飛べばいいかわからなくなる → 固定シンボルの代わりに、ユニークなラベ ルを生成する gen_label() というメソッドを使 う（各スケルトンに準備）
- 76. ヒント：メソッドボディの作り方 •どのスケルトンでも、ast2iseq() の最初で、 DefBody だったらmethod body を作るように なっている •yasm.rb の define_method_macro() で何をやっ ているかチェック。
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- 79. 発展課題B 最適化 • 発展課題：最適化処理を追加してみよう。 • どのレベルで行うか？ •ノード単位で変換？ • ISeq単位で変換？ • 何に最適化するか？ • fib() の結果で最適化結果を確認
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- 83. Interpret on RubyVM Ruby処理系の流れ 83 Ruby script Parse Compile Ruby Bytecode Object management Garbage collectorThreading Embedded classes and methods Bundled Libraries Evaluator Gem Libraries AST Abstract Syntax Tree
- 84. これからの参考文献 • 『Rubyソースコード完全解説』by @minero-aoki •完全ガイドだけど 1.8 向け。ウェブで全文公開。 • 1, 2 部（GC やパーサー）は今でも十分に役に立つ。 • 『 Rubyのしくみ Ruby Under a Microscope』 by Pat Shaughnessy • Ruby 2.0 向けの話。 • 完全網羅ではないが、ガチ勢じゃなければそこそこ役に立つ。 • 『RubyでつくるRuby ゼロから学びなおすプログラミング 言語入門』 by 遠藤侑介 • RubyでRubyインタプリタを作る話。 • VMとASTをRubyで作り、それ自身を開発したRubyインタプリ タで動作させる。
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