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謎の言語Forthが謎なので実装した
- 5. 動機: ⾔語を実装したい3/3 ⾔語実装の軌跡2/2 secdm 関数型⾔語のためのVM SECDマシンの実装 フィボナッチ数計算成功、S式パーサ作成で挫折 https://github.com/t-sin/secdm wl (設計中) C⾔語製、VM型でクロージャのあるLisp-2（予定） VMの設計がまったくわからんぬ https://github.com/t-sin/wl
- 7. 動機: 仮想機械の設計？2/3 仮想機械（かそうきかい、仮想マシン、バーチャルマシン、 英語: virtual machine、VM）とは、コンピュータの動作をエ ミュレートするソフトウェアやフレームワークである。ま た、エミュレートされた仮想のコンピュータそのものも仮想 機械という。 ─ 『仮想機械』, Wikipediaより
- 9. Forthという⾔語があるらしい…？ その⾔語はまるで アセンブラみたいに低レベル 表現⼒・抽象度が⾼い しかもスタックマシンみたいな⾔語 らしい これやれば仮想機械設計の感触掴めるかもしれない
- 11. 謎の⾔語、Forth 2/5 典型的なForth の実装には、LISP におけるRead–eval–print loop（英語版）（REPL）に対応する、⼊⼒されたワードを即 座に実⾏する対話型のインタプリタモードと（これは、正規 のオペレーティングシステムがないシステム向けのシェルに も適している）、後の実⾏のために⼀連のワードをコンパイ ルするモードのふたつのモードがある。後者にはコロン（:） というワードにより遷移しセミコロン（;）というワードで脱 する。 ─ 『Forth』, Wikipediaより
- 12. 謎の⾔語、Forth 3/5 Forth は現在Open Firmware のようなブートローダや宇宙開 発[1]、組込みシステム、ロボット制御などに使われている。 ─ 『Forth』, Wikipediaより
- 13. 謎の⾔語、Forth 4/5 なぞすぎるプロダクト群… 1991 - http://www.1-9-9-1.com/ Forthで書かれたHTTPサーバー なぜかコードがすごくちいさい forsh - https://bitbucket.org/cowile/forsh Forthで書かれたシェル もちろん後置記法 fmacs - https://github.com/larsbrinkhoff/fmacs Forthで書かれたEmacs どういうこと？？
- 17. Forthのいろは 1. プログラムはスペース区切り 2. トークンがディクショナリに あったらワード（関数）の本体コードにジャンプして実 ⾏ なかったら定数リテラルなのでスタックに積む これだけ！
- 18. プログラム例1 1 + 2 * 10 を計算 // スタック: [] 1 // スタック: [1] 2 // スタック: [2 1] 10 // スタック: [10 2 1] * // スタック: [20 1] + // スタック: [21]
- 19. プログラム例2 数値を⾜した結果をASCIIコードと⾒て出⼒ // スタック: [] 40 2 + // スタック: [42] emit // => * // スタック: []
- 21. プログラム例3 2/7 前提: ufの持つ命令（⼀部） スタック操作ワード swap (2要素交換), dup (複製), rot (先頭要素と3番⽬を 交換), drop (削除), over (2番⽬の要素を先頭に複製) I/Oワード . (スタックトップを出⼒), .s (スタックをデバッグ出⼒) 数値演算・⽐較ワード + , - , * , / , = , < 論理演算ワード and , or , not
- 22. プログラム例3 3/7 フィボナッチ数列を計算 まずはスタック要素を2つ読んで⽐較する述語 <= を定義する : <= over over < rot swap = or ;
- 23. プログラム例3 4/7 <= 使⽤例 (<= 20 21) → t を計算 21 20 // スタック: [20 21] <= // 上の定義の⼀語め (over)にジャンプ // 引数を複製する over // スタック: [21 20 21] over // スタック: [20 21 20 21] // Forthは偽が0、真が0以外 < // スタック: [-1 20 21] （つづく）
- 24. プログラム例3 5/7 <= 使⽤例（つづき） // スタック: [-1 20 21] rot // スタック: [21 20 -1] swap // スタック: [20 21 -1] = // スタック: [0 -1] or // スタック: [-1] // ワードの終わりが来たので<=呼び出し位置にジャンプ ;
- 25. プログラム例3 6/7 つぎに、フィボナッチ数を再帰的に計算するワードを定義する : fib dup 0 swap <= if drop 0 else dup 1 = if drop 1 else dup 1 swap - fib swap 2 swap - fib + then then ; 引数としてフィボナッチ数の項数をひとつ受けとる if で⼆回引数を使うので、最初に引数を複製している Forthの再帰はLispのダイナミックスコープにおける名前参照 みたいにふるまう
- 26. プログラム例3 7/7 さいごに、引数をスタックに積んで fib を呼び出す // スタック: [] 10 // スタック: [10] fib // スタック: [55] . // せっかくなので出⼒してみる 55 ok // スタック: []
- 28. 実装: パーサ スペース以外の⽂字で区切って切り出し、リストに溜める ついでに数値はCLの数値に変換しておく (defun parse (stream) (let (code buf atomp numberp) (flet ((read-atom (ch) ...)) (loop :for ch := (read-char stream nil :eof) :until (eq ch :eof) :do (case ch (#space (terminate-atom)) (#newline (terminate-atom)) (t (read-atom ch))) :finally (progn (terminate-atom) (return (nreverse code))))))) split-sequence を使えばほぼ⼀撃ですねこれ（今きづいた
- 29. 実装: ワードまわり ワードの構造体と実⾏状態の構造体をつくる (defstruct word name fn start system-p) (defstruct vm code ip dict stack rstack ifdepth skip-to debug-p) ディクショナリは word のリスト find とか push で探索や追加を⾏う 通常はスタック2本（データ・呼び出し）でよいが、 インタプリタとするにはifのネストを読み⾶ばすために3本⽬ が要る
- 30. 実装: 解釈器1/2 パーサが⽣成したAST（CLのアトムのリスト）を解釈して実⾏す る if のスキップ時と通常の実⾏時の2つの状態がある 通常の解釈 : だったら→ワード定義処理（後述） ; だったら→ if だったら→条件評価後、true部を実⾏or true部をスキップ （ネスト数を覚えておく） else だったら→true部実⾏してたので、else部をスキップ （ネスト数を覚えておく） それ以外→ワード呼び出しなので、コールスタックに現在の PC積む、ワード本体にPCをセット
- 31. 実装: 解釈器2/2 if で実⾏しない部分（ if がネストし得る）を読み⾶ばす if ⽂スキップ if だったら→ネスト数を1加算 then だったら→ネスト数を1減算 もしスキップ開始時のネスト数と今のネスト数が同じな ら →スキップ処理終了 それ以外→読み⾶ばす
- 32. 実装: ワード定義1/2 ufでは : によるワードの定義も解釈時に⾏う 基本的には、 1. : がきたら、 2. 名前を読み取り、 3. プログラム開始位置を覚え、 4. ; まで読み⾶ばし、 5. 名前と開始位置から word 構造体をディクショナリに push という流れ : ... ; のネストは不可 これはForth 2012の仕様でも同様 「コンパイルモード時にコンパイルモードに⼊る」の排除か
- 33. 実装: ワード定義2/2 だいたいこんなコードです（ハミ出る） (defun define-word (vm) (let ((name (get-atom vm))) (when (null name) (error "invalid word definition : it doesn't have a name. (let ((start-pos (vm-ip vm))) (loop :for atom := (get-atom vm) :until (eq atom 'uf/dict::|;|) :do (when (null atom) (error "invalid word definition '~a': it doesn't (let ((word (make-word :name name :system-p nil :start (let ((w (find name (vm-dict vm) :key #'word-name))) (if (and (not (null w)) (word-system-p w)) (error "cannot overwrite the predefined word: ~s" (push word (vm-dict vm))))))))
- 34. 実装: 初期ワード定義 . (出⼒)とか + とかを実装していく ここはひたすら気合いです ;; I/O (defword (|.|) (format t "~a" (pop (vm-stack vm)))) (defword (|cr|) (terpri)) (defword (|emit|) (format t "~a" (code-char (pop (vm-stack vm))))) (defword (|.s|) (format t "~s" (vm-stack vm))) ;; stack maneuvers (defword (|swap|) (let ((o1 (pop (vm-stack vm))) (o2 (pop (vm-stack vm)))) (push o1 (vm-stack vm)) (push o2 (vm-stack vm))))
- 37. 反省点1: 処理系のモードがないことによ る苦労 if の解釈のためにめんどくさいことをした if スキップのフェーズはインタプリタに固有の処理 分岐をコンパイル時でジャンプに変換できれば不要
- 38. 反省点2: VM状態を引き回せない問題1/2 ufのroswellコマンドによるシェルが変… ~/code/uf$ roswell/ufi.ros uf, Ursa Major Forth, 0.1.0 Ctrl-D to exit : fn hello . ; fn hellook fn ok 定義したワードがREPLの⾏を跨ぐと消えている
- 39. 反省点2: VM状態を引き回せない問題2/2 これは実は、REPLにおいてVMのコードを上書きしており、 word に格納された本体開始位置が無効になっている (loop :for line := (read-line stream nil :eof) :until (eq line :eof) :for code := (with-input-from-string (in line) (parse in)) :do (handler-bind ((condition (lambda (c) (format t "not ok~% ~s~%" ;; ここでコードを上書きしてしまっている！ (setf (vm-code vm) code (vm-ip vm) 0) (execute vm)) :do (format t "ok~%")))) 解決策は、 コンパイルモードを実装する（ほしい） code を append する（ハック）
- 40. ufのこれから ⽂字列は配列といった、より実⽤的なデータ構造を実装した い Forthの⽂字列例: " hello world" . パーサでの特別扱いが必要 実⾏モード（実⾏・解釈・コンパイル）を実装したい if の問題やREPLの微妙さを⼀気に解消できそう ついでにバイトコードにしてみたい なにかに埋め込んで使ってみたい お絵描き？ 弾幕STGのDSL？