Mercurial > hg > Papers > 2019 > anatofuz-prosym

annotate Paper/anatofuz.tex @ 20:2bf64cfb91b1

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add CbC evaluation and CbCinterp fig
author Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
date Thu, 08 Nov 2018 14:57:59 +0900
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1 % withpage: ページ番号をつける (著者確認用)
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2 % english: 英語原稿用フォーマット
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3 \documentclass{ipsjprosym}
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ea10413281c5 tweak Makefile and create reference.bib
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56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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10 \lstset{
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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30 }
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31 \renewcommand{\lstlistingname}{Code}
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32 \usepackage{caption}
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33 \captionsetup[lstlisting]{font={small,tt}}
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ea10413281c5 tweak Makefile and create reference.bib
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34 \usepackage{url}
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35 \begin{document}
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a758898008e6 add tex and Makefile
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37 % Title, Author %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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154c6acc0e23 add_abst
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38 \title{CbCを用いたPerl6処理系}
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40 %\affiliate{IPSJ}{情報処理学会}
154c6acc0e23 add_abst
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41 \affiliate{IERYUKYU}{琉球大学工学部情報工学科}
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43 \author{清水 隆博}{Takahiro SHIMIZU}{IERYUKYU}[anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp]
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44 \author{河野 真治}{Shinji KONO}{IERYUKYU}[kono@ie.u-ryukyu.ac.jp]
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46 %概要
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47 \begin{abstract}
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48 スクリプト言語であるPerl5の後継言語としてPerl6が現在開発されている．
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49 Perl6は設計と実装が区分されており様々な処理系が開発されている．現在主流なPerl6はRakudoと言われるプロジェクトである．
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Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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50 RakudoではPerl6自体をNQP(NotQuitPerl)と言われるPerl6のサブセットで記述し,NQPをVMが解釈するという処理流れになっている．
154c6acc0e23 add_abst
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51 このVMは任意のVMが選択できるようになっており，現在はMoarVM,JavaVM,Javascriptが動作環境として選択可能である．
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52 主に利用されているVMにCで書かれたMoarVMが存在する．
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80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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53 MoarVMはJITコンパイルなどをサポートしているが，全体的な起動時間及び処理速度がPerl5と比較し非常に低速である．
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54 この問題を解決するためにContinuation based C (CbC)という言語を一部用いる．
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b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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55 本論文ではCbCを用いてMoarVMの一部を書き換える事を検討し，得られた知見についてに述べる．
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154c6acc0e23 add_abst
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58 \end{abstract}
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59
a758898008e6 add tex and Makefile
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60 \begin{jkeyword}
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61 プログラミング言語, コンパイラ, CbC, Perl6, MoarVM
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62 \end{jkeyword}
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64 \maketitle
a758898008e6 add tex and Makefile
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a758898008e6 add tex and Makefile
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66 % Body %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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1035c41fc2db add abstract
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67 \section{研究目的}
1035c41fc2db add abstract
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68 現在も広く使われているスクリプト言語PerlことPerl5の後継言語としてPerl6が開発されている．
1035c41fc2db add abstract
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69 Perl6は設計と実装が区分されており，現在広く使われている実装はRakudoと呼ばれるプロジェクトである．
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70 Rakudoの実装はPerl6コンパイラ開発者用のサブセットであるNQP(NotQuitPerl)で実装されているPerl6の事を指す．
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71 現在RakudoはNQPを解釈できる実行環境として,C言語で実装されたMoarVM,JVM,Javascript上で動作する様に開発されている．
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72 Rakudoとして主に使われている処理系はMoarVMであるが,MoarVMの処理時間がPerl5などの多くのスクリプト言語と比較し非常に低速である．
1035c41fc2db add abstract
Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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73 その為現在日本国内ではPerl6を実務として利用するケースは概ね存在しない．
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80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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74 Perl6の持つ言語機能や型システムは非常に柔軟かつ強力であるため実用的な処理速度に達すれば言語の利用件数が向上することが期待される．
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1035c41fc2db add abstract
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75 この問題を解決するために現在当研究室で開発しているContinuation Based C(以下CbC)を用いて改良を行う．
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9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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76 CbCはCよりさらにきめ細やかな記述が可能であるためスクリプト言語などのプログラミング言語の記述と親和性が高い事が推測される．
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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77 故に本研究はCbCをスクリプト言語の実装に適応した場合，どのような利点やプログラミング上の問題点に遭遇するかCbCの応用としての側面でも行う．
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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78 本稿ではまずCbC,Perl6の特徴及び現在の実装について述べ，次に改良を行うMoarVMの一連の処理流れについて述べる．
4
1035c41fc2db add abstract
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79 そして今回改良した一部分と今後の展開について記す．
1035c41fc2db add abstract
Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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80
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9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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81 \section{CbC}
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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82 \subsection{CbCの概要}
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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83 CbCは当研究室で開発しているプログラミング言語である．
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56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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84 Cレベルでのプログラミングを行う場合，本来プログラマが行いたい処理の他にmallocなどを利用したメモリのアロケートやエラーハンドリングなどが存在する．
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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85 これらをmeta computationと呼ぶ．これらmeta computationと通常の処理を分離することでバグの原因がmeta computation側にあるか処理側にあるかの分離などが可能となる．
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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86 しかしC言語などを用いたプログラミングで分離を行おうとすると，それぞれ事細かに関数やクラスを分割せねばならず容易ではない．
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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87 CbCでは関数よりmeta computationを細かく記述する為にCodeSegmentという単位を導入した．
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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88 CbCではCodeSegment,DetaSegmentを基本単位として記述するプログラミングスタイルを取る．
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9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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89
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56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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90 \subsection{CodeSegmentとDataSegment}
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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91 CbCではCの関数の代わりにCodeSegmentを導入する．
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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92 CodeSegmentはCの関数宣言の型名の代わりに\_\_codeと書くことで 宣言できる．
16
ed882dba29f6 add about threaded code and jlisting.sty
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93 \_\_codeはCbCコンパイラの扱いはvoidと同じ型であるが，CbCプログラミングではCodeSegmentである事を示す識別子としての意味で利用する．
ed882dba29f6 add about threaded code and jlisting.sty
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94
17
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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95 \subsection{軽量継続}
20
2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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96 CbCでは次のCodeSegmentに移行する際，Cの
10
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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97
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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parents: 9
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98 \subsection{現在の実装}
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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parents: 9
diff changeset
99 CbCは現在主要なCコンパイラであるgcc及びllvmをバックエンドとしたclang上の2種類の実装が存在する．
13
80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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100 gccはバージョン9.0.0に,clangは7.0.0に対応している．
14
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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diff changeset
101
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
Takahiro SHIMIZU <anatofuz@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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102 \subsection{CbCコンパイラのバグ}
17
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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103 % 局所変数のポインタを握ったままgotoするとtail callにならない
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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parents: 16
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104 CbCコンパイラは現在も開発中であり幾つかのバグが発見されている．
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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105 まずCodeSegment内で宣言した局所変数のポインタを別の変数などで確保した状態でgotoしてしまうとtail call最適化が切られる．
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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106 これはただの関数呼び出しになってしまう為，直接的な被害はないもののCbCとしての利点が損なわれてしまう．
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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107 また本来は操作しないはずのスタック領域の操作が入ってしまうため，プログラマの意図と反したスタックポインタなのど操作が行われてしまいバグが発生する可能性が存在する．
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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108
10
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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109 \subsection{CbCとCの互換性}
16
ed882dba29f6 add about threaded code and jlisting.sty
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110 CbCコンパイラは内部的に与えられているソースコードがCbCであるかどうかを判断する．
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111 この際にCodeSegmentを利用していない場合は通常のCプログラムとして動作する．
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112 これはCbCコンパイラがCコンパイラであるgccとllvm/clang上に実装している為である．
13
80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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113 その為MoarVMのビルドにおいてもCbCで書き換えたソースコードがあるターゲットと，手を加えていないオリジナルのターゲットの2種類を同一のCbCコンパイラでビルドする事が可能である．
10
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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114
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8e80522a88bd tweek mindmap and wrote table of contents for Paper
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115
14
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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116 \subsection{言語処理系におけるCbCの応用}
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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117 CbCを言語処理系，特にスクリプト言語に応用すると幾つかの箇所に置いて利点があると推測される．
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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118 CbCにおけるCSはコンパイラの基本ブロックに相当する．
17
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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119 その為従来のスクリプト言語では主にcase文で記述していた命令コードディスパッチの箇所をCodeSegmentの遷移として記述する事が可能である．
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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120 CbCは状態を単位として記述が可能であるため，命令コードなどにおける状態を利用するスクリプト言語の実装は応用例として適していると考えられる．
14
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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121
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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122
9
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123 \section{Perl6の概要}
5
06f3183ef6c3 add about Perl6
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124 この章では現在までのPerl6の遍歴及びPerl6の言語的な特徴について記載する．
9
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125 \subsection{Perl6の構想と初期の処理系}
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126 Perl6は2002年にLarryWallがPerlを置き換える言語として設計を開始した．
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127 Perl5の言語的な問題点であるオブジェクト指向機能の強力なサポートなどを取り入れた言語として設計された．
5
06f3183ef6c3 add about Perl6
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128 Perl5は設計と実装が同一であり，Larryらによって書かれたC実装のみだった．Perl6は設計と実装が分離しており様々な処理系が開発されきた．
13
80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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129 まず2005年に唐鳳によってHaskellで実装されたPugs\cite{pugs}が登場した．
5
06f3183ef6c3 add about Perl6
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130 Pugsは最初に登場したPerl6実装であり，この実装を基にしてPerl6の仕様も修正された．
6
6dcf1143dc8f add about NQP
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131 現在Pugsは歴史的な実装となっており，更新はされていない．
9
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132
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133 \subsection{Parrot}
13
80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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134 その後Pythonとの共同動作環境としてParrot\cite{parrot}が実装された．
9
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135 ParrotはPASMと呼ばれるバイトコードを解釈可能なレジスタマシンである．
5
06f3183ef6c3 add about Perl6
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136 ParrotでのPerl6の実装はNQP(NotQuitPerl)と呼ばれるPerl6のサブセットでPerl6を記述するというアイディアの基実装された．
9
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137 ParrotVMは2006年のversion8.1.0が最後のリリースである．
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138 こちらもPugsと同様に現在のPerl6プロジェクトでは歴史的な実装とされている．
5
06f3183ef6c3 add about Perl6
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139 現在主に使用されている実装であるRakudoは2010年にRakudo-Starという一連のツール郡としてリリースされた．
13
80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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140 Perl6処理系自体は現在も未完成であり，Perl6プロジェクトとして提供しているテストリポジトリ「Roast\cite{roast}」で定義されているテストケースを完全に通化する処理系は現在未だ存在しない．
9
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141
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142 Perl6は言語仕様及び処理実装がPerl5と大幅に異なっており，言語的な互換性が存在しない．
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143 従って現在ではPerl6とPerl5は別言語としての開発方針になっている．
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144 Perl6は現在有力な処理系であるRakudoから名前を取り\texttt{Raku}という言語名に変更しようという動きが一部存在している．
5
06f3183ef6c3 add about Perl6
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145
06f3183ef6c3 add about Perl6
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146 \subsection{Rakudo}
06f3183ef6c3 add about Perl6
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147
6
6dcf1143dc8f add about NQP
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148 RakudoとはParrotで構想に上がったNQP,NQPに基づくPerl6を基にしたプロジェクトである．
6dcf1143dc8f add about NQP
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149 RakudoがPerl6のコンパイラかつインタプリタであると考えても良い．
14
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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150 Rakudoにおけるコンパイラとは厳密には2種類存在する．
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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151 まず第1のものがPerl6,もしくはNQPをMoarVM,JVMのバイトコードに変換するNQPコンパイラである．
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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152 次にそのNQPが出力したバイトコードをネイティブコードに変換するVMの2種類である．
5
06f3183ef6c3 add about Perl6
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153 このVMは現在MoarVM,JavaVM,Javascript,GraalVMを選択可能である．
15
8580ad6c50dd tweak .tex and bib
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154 Rakudo及びNQP projectではこのNQPコンパイラの部分をフロントエンド，VMの部分をバックエンド\cite{rani1}と呼称している．
14
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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155 NQPで主に書かれたPerl6のことをRakudoと呼ぶ．
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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156 Perl6はNQP以外にもPerl6独自の一種のシンタックスシュガーの様な物を持っており，これはNQPコンパイラ側で処理を行う．
6
6dcf1143dc8f add about NQP
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157
6dcf1143dc8f add about NQP
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158 \subsection{NQP}
14
56f4ac0231ee tweak tex and add bibfile
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159
13
80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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160 RakudoにおけるNQP\cite{nqp}は現在MoarVM,JVM上で動作し，MoarVMを一部利用することでNodeJSからも動作させる事が可能である．
6
6dcf1143dc8f add about NQP
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161 NQPはPerl6のサブセットであるため主な文法などはPerl6に準拠しているが幾つか異なる点が存在する．
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162 NQP自身はStage0と呼ばれる名前空間上のモジュールのみ動作環境のVMのバイトコードを必要とするが，それ以外はNQPで記述されておりBootstrappingされている言語である．
17
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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163 Perl6の一部はNQPを拡張したもので書かれている為,Rakudoを動作させる為にはMoarVMなどのVM,VMに対応させる様にビルドしたNQPがそれぞれ必要となる．
6
6dcf1143dc8f add about NQP
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164 現在のNQPではMoarVM,JVMに対応するStage0はそれぞれMoarVMbytecode,jarファイルが用意されており，Javascriptではバイトコードの代わりにランタイム独自のModuleLoaderなどが設計されている．
9
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165 MoarVMのModuleLoaderはStage0あるMoarVMbytecodeで書かれた一連のファイルが該当する．
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166
17
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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167 Stage0にあるファイルをmoarvmに与えることでnqpのインタプリタが実行される様になっている．
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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168 これはStage0の一連のファイルはmoarvm bytecodeなどで記述されたNQPコンパイラのモジュールである為である．
9
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169 NQPは6modelと呼ばれるオブジェクトモデルを採用としているが，これを構築する為に必要なNQPCORE,正規表現系のQRegex,MoarVMのModuleLoaderなどがmoarvmbytecodeで記述されている．これらMoarVMBytecodeの拡張子は.moarvmである．
10
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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170 MoarVMに対してStage0のディレクトリにライブラリパスを設定し，nqp.moarvmを実行させることでnqpの対話型環境が起動する．
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171
10
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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172 実際にperl6を動かすためにはself buildしたNQPコンパイラが必要となる．その為にstage0を利用してStage1をビルドしNQPコンパイラを作成する．
6
6dcf1143dc8f add about NQP
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173
6dcf1143dc8f add about NQP
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174 Roastやドキュメントなどによって設計が定まっているPerl6とは異なりNQP自身の設計は今後も変更になる可能性が開発者から公表されている．
13
80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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175 現在の公表されているNQPのオペコードはNQPのGitHubリポジトリ\cite{nqpopcode}に記述されているものである．
5
06f3183ef6c3 add about Perl6
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176
06f3183ef6c3 add about Perl6
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177
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178 \subsection{Rakudo Perl6}
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179 Rakudo実装上におけるPerl6はRakudo Perl6と呼ばれているGitリポジトリで管理されているプログラムのことである．
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180 前述した通りRakudo Perl6はPerl6のサブセットであるNQPを用いて記述されている．
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181 従ってyaccやlexと言ったPerl5の文字解析，構文解析に利用していたプログラムは利用せず，NQP側で構文定義などを行っている．
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182 NQPはNQP自身でBootstrappingされている為，Rakudo Perl6のbuild時にはNQPの実行環境として要したVM,それに基づいてbuildしたNQPがそれぞれ必要となる．
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183
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b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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184 言語的な特徴としてはPerl5とは違いアトミックに演算を行う事が可能な絵文字で実装されたatom演算子や，すべてがオブジェクトであるオブジェクト指向言語としての進化も見られる．
15
8580ad6c50dd tweak .tex and bib
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185 またPerl6は漸進的型付け言語である.
8580ad6c50dd tweak .tex and bib
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186 従来のPerlの様に変数に代入する対象の型や文脈に応じて型を変更する動的型言語としての側面を持ちつつ独自に定義した型を始めとする様々な型に静的に変数の型を設定する事が可能である．
6
6dcf1143dc8f add about NQP
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187
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80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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188 \subsection{現在のPerl6}
80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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189 Perl6の言語仕様\cite{perl6design}とその時点での実装状況を纏めた公式ドキュメント\cite{perl6doc}は分離している．
80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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190 従来は言語仕様は自然言語の仕様書であったが，現在はテストスイートである「Roast\cite{roast}」そのものと定義されている．
17
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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191 現在のPerl6の仕様を読む場合Roastを確認し，現在rakudo上に実装されている機能を見る場合は公式ドキュメントを確認する必要がある．
6
6dcf1143dc8f add about NQP
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192
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8e80522a88bd tweek mindmap and wrote table of contents for Paper
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10
9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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194 \section{CbCによるMoarVM}
13
80944267f9c7 tweak tex and mv footnote sites
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195 この章では改良を行ったPerl6処理系であるMoarVMについて述べる．
15
8580ad6c50dd tweak .tex and bib
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196 \subsection{方針}
8580ad6c50dd tweak .tex and bib
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197 MoarVMそのものをCbCで書き換えることも考えられるがMoarVM自体既に巨大なプロジェクトである為すべてを書き換える事は困難である．
8580ad6c50dd tweak .tex and bib
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198 その為まず比較的CbCで書き換えることが容易な箇所を修正する．
8580ad6c50dd tweak .tex and bib
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199 前章までに述べた通りCbCのCodeSegmentはコンパイラの基本ブロックに該当する．
8580ad6c50dd tweak .tex and bib
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200 従ってMoarVMにおける基本ブロックの箇所をCodeSegmentに書き換える事が可能である．
8580ad6c50dd tweak .tex and bib
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201 MoarVMにおける基本ブロックはインタプリタが実行するバイトコードごとの処理に該当する．
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b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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202
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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203 \subsection{MoarByteCodeのディスパッチ}
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204 MoarVMのバイトコードインタプリタはsrc/core/interp.cで定義されている．
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205 この中の関数MVM\_interp\_runで命令に応じた処理を実行する．
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206 関数内では命令列が保存されているcur\_op,現在と次の命令を指し示すop，Threadの環境が保存されているThreadcontextなどの変数を利用する．
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207 命令実行は大きく二種類の動作があり，Cのgotoが利用できる場合はMVM\_CGOTOフラグが立ちラベル遷移を利用する．
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208 それ以外の場合は巨大なcase文として命令を実行する．
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209
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210 ラベル遷移を利用する場合はラベルテーブルにアクセスし，テーブルに登録されているアドレスを取得し，NEXTで遷移する．
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211 このラベルテーブルの中身はラベルが変換されたアドレスであるため，Cレベルでのデバッグ時にはアドレスと実際に呼ばれる箇所を確認する事に手間がかかる．
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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212 巨大なcase文として実行された場合，実行時間が遅いだけでなく，ラベル遷移と共存させて記述を行っている為Cのソースコードにおける可読性も低下する．
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213
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2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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214 CbCMoarVMではこの問題を解決するために，それぞれの命令に対応するCodeSegmentを作成し，CodeSegment名前を要素として持つCbCのCodeSegmentのテーブルを作成した．
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b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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215
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216 \subsection{命令実行箇所のCodeSegmentへの変換}
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217 ラベルテーブルやcase文のswitch相当の命令実行箇所をCbCに変換し，CodeSegmentの遷移として利用する．
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218 interp.cは?に示す様なスタイルで記述されている．
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219 OP(.*)の.*に該当する箇所はバイトコードの名前である．通常このブロックにはLABELから遷移する為，バイトコードの名前はLABELSの配列の添字に変換されている．
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220 そのため対象となるCodeSegmentをLABLESの並びと対応させ，配列CODESに設定すればCodeSegmentの名前は問わない．
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221 今回はCodeSegmentである事を示す為にsuffixとしてcbc\_をつける．
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222
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2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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223 \begin{figure}[ht]
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224 \begin{center}
2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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225 \includegraphics[width=70mm]{fig/cbc_next.pdf}
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226 \end{center}
2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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227 \caption{CbCにおけるインタプリタの関数遷移}
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228 \label{fig:sendTask}
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229 \end{figure}
2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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230
2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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231
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b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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232 \subsection{MoarVMのBytecodeのデバッグ}
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233 moarに対してmoarvm bytecodeをdumpオプションを付けて読み込ませるとmoarvmのbytecodeがアセンブラの様に出力される．
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234 しかしこれはmoarvmが実行したbytecodeのトレースではなくmoarvm bytecodeを変換したものに過ぎない．
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235 また，明らかに異なる挙動を示す両者のmoarを利用しても同じ結果が返ってきてしまう．
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236 そのため今回のMoarVMBytecodeインタプリタの実装のデバッグにはこの方法は適さない．
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237 従って実際に実行した命令を確認するにはgdbなどのCデバッガを利用してMoarVMを直接トレースする必要がある．
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2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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238 \lstinputlisting[label=debug_origmoar, caption=オリジナル版MoarVMのバイトコードのトレース]{./src/origin_breakpoint.txt}
2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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239
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240
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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241 \subsection{MoarVMの並列デバッグ手法}
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242 しかしMoarVMが実行する命令は膨大な数がある．
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243 その為gdbでMoarVMをCbCとオリジナル版での並列デバッグを人間が同時に行うことは困難である．
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244 Perlなどのスクリプトを用いて自動的に解析したいため，ログを残す為にscriptコマンドを実行した状態でgdbを起動する．
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245 CbC側はcbc\_nextにbreak pointを設定し，オリジナル側は次のオペコードの設定のマクロにダミーの関数を呼び出すように修正し，そこにbreak pointを設定する．
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246 CbC側ではCodeSegmentの名前を直接確認できるが，オリジナル版はLABLEの配列の添え字から自分でどのオペコードに対応しているかを探す必要がある．
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247 CbCとオリジナルのCODES,LABELの添字は対応している為，ログの解析を行う際はそれぞれの添字を抽出し違いが発生している箇所を探索する．
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3e4ffa621ae9 add after work
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248 違いが生じている箇所が発見できた場合，その前後のCodeSegment及びディスパッチ部分にbreak pointをかけ，それぞれの変数の挙動を比較する．
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249 主にcbc\_return系の命令が実行されている場合は,その直前で命令を切り替えるcbc\_invoke系統の命令が呼ばれているが，この周辺で何かしらの違いが発生している可能性が高い．
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250 その為，アセンブラレベルの命令を確認しながらデバッグを進めることとなる．
3e4ffa621ae9 add after work
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251
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252
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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253
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9c172999d70e tweak Papers for CbC abstract
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254 \subsection{CbCコンパイラによるバグ}
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255 現在までのCbCは複数個の入出力をCodeSegmentに与えるユースケースで利用していた．
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256 CbCコンパイラ自身はそれぞれ用意したテストスイートを通化するものの，MoarVMの様な巨大なプロジェクトのCSをコンパイルを実行する場合，予期せぬバグが発生した．
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257 主にCS間のgotoにおけるtail callフラグの除去や，DSとして渡している構造体の変数のアドレスがスタックポインタの値より上位に来てしまい，通常のCの関数をcallした際にローカル変数の領域がDSのアドレスの周辺を利用してしまう．
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258 その為DSの構造体の値が書き換わり，CからDSにreturnした際にDSの構造体が破壊されるバグである．
19
3e4ffa621ae9 add after work
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259 このバグは先程の並列デバッグを行いながらプログラムカウンタや変数の動きをトレースする事などで発見することが出来る．
17
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260 現状ではCbCコンパイラがプログラマの意図と反する挙動を取るためCbCコンパイラのバグを回避するプログラミングが要求されている．
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261 本来コンパイラ側のバグを回避するプログラミングをプログラマに要求するスタイルは好ましくない．
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262 従ってCbCコンパイラ自身の信頼性を向上させる事も今後の課題となっている．
6
6dcf1143dc8f add about NQP
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263
16
ed882dba29f6 add about threaded code and jlisting.sty
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264 \subsection{Threaded Code}
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265 CbCはCodeSegmentで末尾最適化(Tail call optimization)を行う．
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266 これはCodeSegmentは必ず関数呼び出しではなくgotoで次の状態に遷移する為にスタック領域の操作が必要とならない為である．
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267 現在のCbCコンパイラの実装ではCodeSegmentからCの関数に戻る場合は末尾最適化を切り，CodeSegment間の遷移では末尾最適化が行われる．
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268 末尾最適化を応用することでContinuation-passingスタイルのThreaded Codeの実装が可能となる．\cite{threadedcode}
ed882dba29f6 add about threaded code and jlisting.sty
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269
ed882dba29f6 add about threaded code and jlisting.sty
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270 現在のCbCMoarVMは次の命令セットのディスパッチをcbc\_nextというCodeSegmentで処理している．
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271 これは元のMoarVMの命令ディスパッチで行われる現在のオペコードを示すcur\_opと命令列opの操作及び次のラベルに遷移するマクロに該当する．
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272 CbCMoarVMではラベルに対しての遷移の代わりにMoarVMの命令のCodeSegmentの集合体である配列CODESにアクセスし，その要素であるCodeSegmentに対して遷移する形を取っている．
ed882dba29f6 add about threaded code and jlisting.sty
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273 この一連の処理がオーバーヘッドになる為，今後はcbc\_fixt\_nextというCodeSegmentを導入し直接次の命令に該当するCodeSegmentへgotoする様に実装する予定である．
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274
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b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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275 \subsubsection{perlcc}
b2a795a294c4 update Moarvm bytecodes and perlcc
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276 Perl5においてはperlccというモジュールが開発されている．
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277 これはPerl5内部で利用しているPerlバイトコードを，PerlのC APIであるXS言語の様なCのソースファイルに埋め込み，それをCコンパイルでコンパイルするというものである．
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278 perlccを利用することでPerlインタプリタが無い状況でも可動するバイナリファイルを作成する事が可能である．
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279 しかしPerlccはPerlスクリプトが複雑になるほど正確にCに移植を行う事が出来ず，現在ではPerlのコアモジュールから外されている．
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280 PerlccはPerlのバイトコードをCに変換しただけであり，Cで実装されているPerl経由で実行した場合と処理速度はほぼ変わらない．
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281 またPerlccで生成されたCのソースコードは難解であり，これをデバッグするのが困難でもある．
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282 MoarVMでthreaded codeを実現出来た場合，その箇所のみCbCプログラムとして切り出す事が可能である為perlccと似たツールを作成することも可能である．
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283 この場合,Perl6を通常動かした際とは異なりバイトコードインタプリタに到達する前の処理が無くなる為多少の高速化が望めると推測できる.
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284
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2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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285 \section{CbCを用いる事についての利点と欠点}
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286 MoarVMの様な巨大なスクリプト言語処理系にCbCを適応した所現在までに複数の利点と欠点が発見された．
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287 本章ではまず利点を述べ，次に現段階でのCbCを適応した場合の欠点について考察する．
2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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288
2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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289 \subsection{利点}
2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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290 \subsection{コード分割}
2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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291 オリジナルのMoarVMでは命令コードに対応する箇所はラベルジャンプ，もしくはswitch文で実装されていた．
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292 その為同じCファイルに命令コードの実行の定義が存在しなければならない．
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293 今後MoarVMに新たなバイトコードが導入されていく事を考えるとinterp.cが巨大になる可能性がある．
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294 関数単位での処理の比重が偏る事に加え，
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295 switch文中に書かれている処理は他の関数から呼ぶ事が出来ないため，余計な手間がかかる箇所が発生すると考えられる．
2
a758898008e6 add tex and Makefile
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296
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297 CbCMoarVMの場合，CodeSegmentとして基本ブロックを記述出来る為オリジナルのMoarVMの様にswtich文のブロック中に書く必要性が無くなる．
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298 その為類似する命令系をコード分割し，モジュール化する事が可能である．
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299 これは通常のインタプリタの実装と比べ可読性と言う意味とモノリシックアーキテクチャをマイクロ化出来るという意味でも利点である．
2
a758898008e6 add tex and Makefile
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300
20
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301 \subsubsection{MoarVMのデバッグ}
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302 MoarVMのバイトコードインタプリタの箇所はオリジナルの実装ではラベルジャンプを用いて実装されている．
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303 その為，直接ラベルにbreak pointをかける事が出来ない．
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304 作業者がデバッガが読み込んでいるCソースコードの位置を把握し，行番号を指定してdebug pointを設定する必要があった．
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305
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306 CbCMoarVMの場合，CodeSegment単位でバイトコードの処理単位を記述している為，通常の関数と同じく直接CodeSegmentにデバッグポイントをかける事が可能である．
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307 これはCプログラミングの関数に対してのデバッグで，状態ごとにbreak pointをかける事が出来ることを意味する．
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308 通常のC言語で言語処理系を実装した場合と比較して扱いやすくなっていると言える．
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309 さらにラベルテーブルでの管理場合，次のバイトコード箇所は数値でしか確認できず，実際にどこに飛ぶのかはラベルテーブル内と数値を作業者が手作業で確認する必要があった．
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310 スクリプトなどを組めば効率化は出来るがデバッガ上で完結しない為手間がかかる．
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311 CbC実装ではCODESテーブル内は次のCodeSegmentの名前が入っている為，数値からCodeSegmentの名前をデバッガ上で確認する事が出来る．
9
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312 % \subsection{単純なループ処理の測定}
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313 % 簡単な例題としてfor文を用いて100000回ループさせ，ある変数をインクリメントするというプログラムを作成する．
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314 % 今回の評価対象としてPerl6は2018年4月にリリースされたMoarVM,NQP,Rakudoの実装を用いる．
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315 % Perl5は5.26.2を利用した．
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316
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317 % \begin{table}[htb]
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318 % \begin{tabular}{|c|c|c|} \hline
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319 % ループ回数 & Perl5 (sec) & Perl6(sec) \\ \hline \hline
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320 % 1000000 & 0.131 & 1.444 \\ \hline
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321 % 10000000 & 0.131 & 1.444 \\ \hline
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322 % 100000000 & 3.258 & 124.69 \\ \hline
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323 % \end{tabular}
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324 % \end{table}
2
a758898008e6 add tex and Makefile
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325
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2bf64cfb91b1 add CbC evaluation and CbCinterp fig
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326 \subsection{欠点}
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327 \subsubsection{CbCコンパイラ}
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328 前章までに複数述べた通りCbCコンパイラが現在非常にバグを発生させやすい状態になっている．
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329 CbCコンパイラはgccとllvm/clangに実装している為，これらのアップデートに追従する必要がある．
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330 しかしコンパイラのバージョンに応じてCbCで利用するコンパイラ内のAPIが異なる場合が多く，APIの変更に伴う修正作業などを行う必要がある．
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331
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332 CbCMoarVMではCからCbCへ，CbCからCへの遷移などが複数回繰り返されているが，CodeSegmentでのtail callの強制が非常に難関である．
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333 tail callの強制には関数定義の箇所や引数，スタック領域のサイズ修正などを行う必要がある．
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334 この実装の為にはどのケースで関数が定義されているかをCbCコンパイラで明確に分割する必要がある．
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335
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336
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337 \section{今後の課題}
19
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338 本論文ではCbCによってPerl6の処理系であるMoarVMインタプリタの一部改良とその手法を示した．
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339 CbCのCodeSegment部分を用いることできめ細やかな記述が出来，デバッグし辛い箇所もbreakpointの設定などが容易になった．
2
a758898008e6 add tex and Makefile
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340
19
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341 今後CbCでの開発をより深く行っていくにあたり，CbCコンパイラそのものの信頼性を向上させる必要がある．
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342 MoarVMの開発を行うにあたり新たに発見された複数のバグを修正し，より安定するコンパイラに改良を行う．
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343
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344 現在CbCMoarVMで直接バイトコードを入力した場合のnqpのテストは\%パスする．
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345 また数値の計算と出力などの簡単なNQPの例題を作成し,オリジナルのNQP，moarvmでバイトコード化したものを入力した際も正常に動作している．
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346 今後はさらに複雑な例題やPerl6の独自文法でも動くかどうかの実験を行う．
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347
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348 MoarVMではGCからオブジェクトを守る為にMVMROOTというマクロを利用し，局所変数のポインタをスタックに登録する処理を行っている．
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349 GCの制御を効率的に行えば本来は必要ない処理であり，実行するとCodeSegmentの優位性が損なわれてしまう．
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350 従ってMoarVMのGCの最適化を行う．
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351
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352 また高速化という面では，Perlの特徴である正規表現に着目し，正規表現の表現のみ高速で動く最適化の導入なども検討している．
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353
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354 Perl6の開発は非常に活発に行われている為，CbCMoarVMの最新版の追従も課題となっている．
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355 現在はinterp.cからPerlスクリプトを用いて自動でCbCのCodeSegmentを生成している．
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356 今後の開発領域の拡大と共により効率的にCbCコードへの自動変換も開発していく．
2
a758898008e6 add tex and Makefile
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358 %å\subsection{MoarVMの処理流れ}
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359 %MoarVMはC言語で実装されており,Perl5で記述されたConfigure.plを
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360
2
a758898008e6 add tex and Makefile
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361
a758898008e6 add tex and Makefile
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362 % BibTeX を使用する場合 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
11
ea10413281c5 tweak Makefile and create reference.bib
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363 \nocite{*}
ea10413281c5 tweak Makefile and create reference.bib
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364 \bibliographystyle{ipsjsort}
ea10413281c5 tweak Makefile and create reference.bib
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365 \bibliography{reference}
2
a758898008e6 add tex and Makefile
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366
a758898008e6 add tex and Makefile
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367 \end{document}