会社でやっていたソフトウェア基礎講座での講義資料

1. 言語処理系入門
第 9 回：コンパイラ II ：クロージャ変
換
2009 年 12 月 25 日（金）
服部 健太

2. クロージャ変換
 関数定義から自由変数の参照をなくす
 関数は，自由変数が格納されたレコード（クロージャレコー
ド）を引数で受け取る．
 自由変数の参照はレコードの対応するフィールド参照に置き換
える
 例：
let sum = (let c = ref 0 in fn n -> c := n)
in sum 3
let sum =
( let c = ref 0 in
let f clos n = let c = clos[1] in c := n
in { f; c } )
in sum[0] sum 3
関数本体に自由変数の参照はない
自由変数 c をクロージャレコードに格納

3. クロージャ表現の例
code
v1
:
vn
code1
v1
:
vn
code2
code3
v1
:
vn
code2
vn+1
:
vp
code1
Vp+1
vq
:
1-block closure
2-block closures
Linked closures

4. 再帰関数のクロージャ表現の例
code
v1
:
vn
1-block closure
Env.Closure code1
v1
:
vn
Closure
Environment
2-block closure
code f
v1
:
vn
code g
w1
:
wn
code f
code g
v1
:
vn
w1
:
wn
let rec f x = … g…
and g y = … f …

5. CPS 式の構文（少し変更）
 K ::= E
 | let x1 = E1 and … and xn = En in K
 | let rec x1 = E1 and … and xn = En in K
 | if V then K1 else K2
 | case V of l1 x1 -> K1 | … | ln xn -> Kn
 | V k V | k V
 E ::= V
 | let x1 = E1 and … and xn = En in E
 | let rec x1 = E1 and … and xn = En in E
 |{ l1=V1;…; ln = Vn } | l(V)
 | fn k x -> K | fn x -> K
 | V.l | V1.l <-V2
 | op(V1, … ,Vn)
 V ::= c | x | k --- ただし， k, x∈Variable
関数呼び出しや分岐を
伴わない単純な式

6. ネストした let/let rec の簡約
 クロージャ変換の前に， let x = (let y = E1 in E2) in
E3 のようにネストした let 式を let y = E1 in let x =
E2 in E3 のような形に変換しておく
 このとき， y のスコープが E3 にまで拡大するので，もし
， E3 に y の自由な出現があった場合， y を rename （ α
変換）する必要がある．
 let x = (let y = E1 in E2) in E3
⇒ let y’ = E1 in let x = E2[y←y’] in E3
 let rec の場合は以下のように変換する
 let rec x = (let y = E1 in E2) in E3
⇒ let rec y’ = E1 and x = E2[y←y’] in E3

7. クロージャ変換後の式の構文
 K ::= E
 | let x1 = E1 and … and xn = En in K
 | let rec x1 = E1 and … and xn = En in K
 | if V then K1 else K2
 | case V of l1 -> K1 | … | ln -> Kn
 | p V k V | p k V
 E ::= V
 |{V1;…; Vn }
 | code p k x = K in E
 | V#l | V1#l <- V2
 | op(V1, … ,Vn)
 V ::= c | x | k --- ただし， k, x∈Variable
 l ∈ Nat

8. クロージャ変換
 関数定義
[[fn x1 … xn -> K]] ⇒
code f clos x1 … xn =
let y1 = clos#1 and … ym = clos#m
in [[K]]
in { f; y1; … ; ym }
 関数適用
[[V V1 … Vn]] ⇒
let f = V#0 in f V V1 … Vn
y1, y2, … ym は関数定
義に含まれる自由変数

9. 自由変数の定義
 FV(E) は式 E に出現する自由変数の集合であ
り，以下のように再帰的に定義される
 FV(c) = φ
 FV(x) = {x}
 FV(fn x -> E) = FV(E)/{x}
 FV(let x = E1 in E2) = FV(E1) FV(∪ E2)/{x}
 FV(let rec x = E1 in E2) = (FV(E1) FV(∪ E2))/{x}
 FV(E1 E2) = FV(E1) FV(∪ E2)

10. レコードの変換
 フィールドラベル付きのレコードをラベルなしのレ
コードに変換する
 ラベルのかわりに位置でフィールドにアクセスする
 クロージャ変換ではないが，ついでにやってしまう
 事前にラベルと位置の対応表を作っておく．
 型検査のフェーズなど
 レコード生成
 [[l1=V1;…; ln = Vn ]] ⇒{V1;…; Vn }
 フィールド参照
 [[V.l]] ⇒ V#pos_of(l)
 [[V1.l<-V2]] ⇒ V1#pos_of(l)<-V2

11. タグ付きデータの変換
 タグ付きデータをレコードに変換する
 タグに対応する整数値とデータの２つのフィールドを含んだレ
コードで表現
 例： @Foo(3) ⇒ { 0; 3 }
 事前にタグにあらかじめ整数値を割当てておく
 こちらも型検査フェーズなどで
 タグ付きデータ生成
 [[l(V)]] { num_of(l); V }⇒
 case 式
 [[case V of l1 x1 -> K1 | … | ln xn -> Kn]] ⇒
let x = V#0 in case x of
num_of(l1) -> let x1 = V#1 in [[K1]]
| …

12. いくつかの最適化
 再帰呼び出しの場合，クロージャから関数のコード
ポインタをいちいち取り出す必要はない．
 code fact’ fact n =
 … let fact’ = fact#0 in fact’ fact (n-1) …
 code fact’ fact n =
 … fact’ fact (n-1) …
 呼び出し先の関数がわかっていて（直接関数を呼び
出す場合），かつその関数が自由変数を含まない場
合，クロージャを渡す必要はない
 let f x = x + x in f (f 10)
 自由変数を含まないで，かつ， escape しない関数
はクロージャ生成は不要

13. 参考： lambda lifting
 クロージャを作る代わりに，自由変数を引数で明示的に渡すよ
うに変換する．
 例：
let rec sum n =
if n = 1 then 1
else let f x = n + x in
f (sum (n - 1))
in sum 100
⇒
let rec sum n =
if n = 1 then 1
else let f w x = w + x in
f n (sum (n - 1))
in sum 100
n は自由変数
自由変数を受け
取る引数を追加

14. 演習問題
 今週のサンプルプログラムを動かしてみよ
 講義で紹介した最適化を実装せよ

15. 次回予定
 日時：
 2010 年 1 月 8 日（金） 10 ： 30 － 12 ： 00
 場所：
 LB2 3F/C1
 内容：
 コンパイル III ：コード生成，実行時ライブラリ
， GC