title: Perl6の内部表現
author: Takahiro Shimizu
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lang: Japanese

## このセッションの内容

- Perl6の主要な実装であるRakudoの内部構造を探ります
- Rakudoの内部で利用されているVMや， Perl6のサブセットなどについて探索します
- スクリプト言語で主に使われているバイトコードインタプリタの気持ちになります

## 内容
- Perl6とは?
- スクリプト言語処理系の動き
- Perl6の内部構造
    - NQP
    - MoarVM
- MoarVMのバイトコード実行
- まとめ

## Perl6とは
- 当初Perl5の時期バージョンとして開発されていたプログラミング言語
    - 現在は別の言語として開発がそれぞれ進んでいる
- 仕様と実装が分離しており， 現在はテストが仕様となっている
- 実装は歴史上複数存在しているが，主流な実装はRakudo
- 言語的にはスクリプト言語であり， 漸進的型付き言語
- 動作環境は、独自のVMのMoarVM, JVM、一部JavaScript上で動作する

<img src="2000px-Camelia.svg.png" alt=""  style="width: 31%; height: auto;">

## 現在のPerl6

- 現在のバージョンは `6.d`
- [ブラウザ上で実行可能な環境](https://perl6.github.io/6pad/)が存在する
- [IDE](https://commaide.com/)が開発されている
- WebApplicationFrameworkなども開発されており、 Perl5のモジュールを移行したものがいくつか存在する
- 日本では趣味のプロダクト以外社会では使用されていない
    - 海外では実際に使われているケースも存在する
- 処理速度では一部Perl5に勝っているが、それでも大分遅い

## [参考]Perl5のソースコード

- Perl5時代
    − スカラ、配列、ハッシュの3種類
    - それぞれの変数への参照であるリファレンスが使用可能

```perl
use ustrict;
use warnings;

my $scalar_value = "hello!";
print "$scalar_value\n";

my @array = (1..10);
print "$array[0]\n";

my %hash = ( this_is_key => "this_is_value");
print "$hash{this_is_key}\n";

my $hash_ref = \%hash;
print "$hash_ref->{this_is_key}\n";
```

## Perl6のソースコード概要

- Perl5の文法とは比較的変更が多い
    - 雰囲気は似ている
- 変数がオブジェクトと化した事により， 変数からsayメソッドを呼ぶことが可能

```
my $str_value = 'hello world!';
$str_value.say; # hello world!
```

- Perl5と同様に，変数にはデフォルトでは型がないような振る舞いをする

```
my $sample_value = 'hello world!';
$sample_value.say; # hello world!

$sample_value = '31';
$sample_value.say; # 31

say($sample_value * 3);
```

## Perl6の言語的な特徴

- 漸進的型付き言語である為， 型を強制することも可能となる

```
my Int $int_value  = 31;
$int_value = "hello"; # Compile error!
```

```
$ perl6 type_invalid.p6
Type check failed in assignment to $int_value; expected Int but got Str ("hello")
  in block <unit> at type_invalid.p6 line 4
```

## Perl6の言語的な特徴

- 型を独自に定義することも可能
- 入力の型によって実行する関数を変える事などができる

```perl6
my subset Fizz of Int where * %% 3;
my subset Buzz of Int where * %% 5;
my subset FizzBuzz of Int where Fizz&Buzz;
my subset Number of Int where none Fizz|Buzz;

proto sub fizzbuzz ($) { * }
multi sub fizzbuzz (FizzBuzz) { "FuzzBuzz" }
multi sub fizzbuzz (Fizz) { "Fizz" }
multi sub fizzbuzz (Buzz) { "Buzz" }
multi sub fizzbuzz (Number $number) { $number }

fizzbuzz($_).say for 1..15;
```

- 型を利用したFizzBuzz

## スクリプト言語
- Perl6は現状コンパイルすることはできない
    - スクリプト言語の分類

- 現在広く使われているスクリプト言語(Perl,Python,Ruby...)などとPerl6の構成は類似している
- 今回はPerl6の実装を追いながら、最近のスクリプト言語処理系の大まかな実装を理解する

## スクリプト言語処理系
- スクリプト言語は入力として与えられたソースコードを、 直接評価せずにバイトコードにコンパイルする形式が主流となっている
- その為スクリプト言語の実装は大きく2つで構成されている
    - バイトコードに変換するフロントエンド部分
    - バイトコードを解釈する仮想機械

<img src="fig/bytecode_sample_generally_lang.svg" width="80%">


## Perl6以外のスクリプト言語

- 現在使われているプロセスVMは言語に組み込まれているものが多い
- JVMやElixirなどのVMは複数の言語で使用されている
- Java
    - JVM
- Ruby
    - YARV
- Python
    - PythonVM
- Elixir
    - BEAM

## Perl6の処理系の構成

- Perl6の処理系で現在主流なものはRakudoと呼ばれる実装である(歴史上複数存在する)
- Rakudoは3つのレイヤーから構成されている
    - Perl6インタプリタ
    - Perl6インタプリタを記述するPerl6のサブセットNQP
    - Perl6のバイトコードを解釈するMoarVM
- Perl6/NQPがフロントエンドに相当し、MoarVMがバックエンドに相当する

## Rakudoの構成図

![](fig/Rakudo_System_overview.png)

(http://brrt-to-the-future.blogspot.com/2015/03/advancing-jit-compiler.html)

## Perl6とNQP

- NQP(NotQuitPerl Perl)
    - Perl6のサブセット。Perl6っぽい言語
- Perl6、 NQP自体がNQPで記述されている
- NQPもNQPで記述されている為、 セルフビルド(自分自身で自分自身をコンパイルする)を行う
- NQPはPerl6の文法をベースにしているが、 制約がいくつか存在する
- 元々はPerl6の主力実装がParrotだった時代に登場
    - 文法がアップデートされており、当時の資料は古くなっている

```
my $value := "hello!";
say($value);
```

## NQPスクリプト

- 変数は束縛 `:=` を使う
− 関数の間に空白を入れてはいけない
- 再帰呼び出しを使うフィボナッチ数列

```
#! nqp
sub fib($n) {
    $n < 2 ?? $n !! fib($n-1) + fib($n - 2);
}

my $N := 29;

my $z  := fib($N);

nqp::say("fib($N) = " ~ fib($N));
```

## NQPスクリプト(nまでの整数の和)

```perl6
sub add_test($n){
    mu $sum := 0;
    while ( $n > 1) {
        $sum := $sum + $n;
        --$n;
    }
    return $sum;
}

say(add_test(10000));
```

## NQPとオペコード

- NQPはPerl6の中で一番レイヤーが低い言語
- その為、 実行するVMのオペコード(処理単位)を使用することができる


## NQPとMoarVM
- NQPそのものは実行することはできない
- NQPの実行にはMoarVM/JVMが必要となる
    - NQPコンパイラが各VMに対応したバイトコードに変換する

## Perl6のVM
- MoarVM, JVM , JavaScriptが選択可能
    - メインで開発されているのはMoarVMであり、 他のVMは機能が実装されていないものが存在する
- `rakudo-star` というPerl6のパッケージ環境では、 MoarVMがデフォルトでインストールされる

## MoarVM
- C言語で記述されているPerl6専用の仮想機械
- レジスタマシン
   - 型情報を持つレジスタに対しての演算として処理される
   - Rubyなどはスタックマシンとして実装されている
- LuaJITなどを利用したJITコンパイルなども可能
- Perl6やNQPは、MoarVMに対してライブラリなどを設定して起動する

## バイトコード
- Perl6も、Rakudo/NQPはバイトコードに変換され、 バイトコードをVMが実行する
- バイトコード実行部分は、 命令に対応するバイト列を読み込み、 解釈し、 次の命令を読み取ることを繰り返す