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81
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1 title: CbCによるPerl6処理系
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100
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2 author: 清水隆博
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3 profile: 並列信頼研
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81
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4 lang: Japanese
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5 code-engine: coderay
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6
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7
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92
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8
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9 ## 研究目的
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81
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10 - Continuation based C (CbC)という言語は継続を基本とするC言語であり, 言語処理系に応用出来ると考えられる
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122
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11 - スクリプト言語などは, バイトコードを扱うが, この実行にcase文や, ラベルgotoなどを利用している。
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92
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12 - この部分はCbCの機能で書き換える事が可能である
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13 - 命令実行処理部分をモジュール化することで、各命令ごとの最適化や、 命令ディスパッチ部分の最適化を行う事が可能であると考える。
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105
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14
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15 ## 研究目的
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108
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16 - 現在開発されているPerl6の実装にRakudoがある
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17 - Rakudoはバイトコードを生成する
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18 - このバイトコードはMoarVMという専用の仮想機械が評価する
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110
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19 - MoarVMはC言語で記述されている為、 Cと互換性のある言語であるCbCで書き直す事が可能である
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105
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20 - 本研究では, CbC用いてPerl6にC処理系であるMoarVMの一部書き換えを行い, 命令のモジュール化を検討する．
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21
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92
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22
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81
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23 ## Continuation Based C (CbC)
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24 - Continuation Based C (CbC) はCodeGearを単位として用いたプログラミング言語である.
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25 - CodeGearはCの通常の関数呼び出しとは異なり，スタックに値を積まず, 次のCodeGearにgoto文によって遷移する.
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85
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26 - CodeGear同士の移動は、 状態遷移として捉える事が出来る
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100
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27
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28 <img src="fig/cbc_sample.svg" >
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29
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85
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30
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31 ## Continuation Based C (CbC)
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32
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33 - CodeGearはCの関数宣言の型名の代わりに`__code`と書く事で宣言出来る
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34 - CodeGearの引数は, 各CodeGearの入出力として利用する
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92
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35 - gotoしてしまうと、元のCodeGearに戻る事が出来ない
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81
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36
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37 ```
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38 __code cg1(TEST testin){
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39 TEST testout;
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40 testout.number = testin.number + 1;
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41 testout.string = "Hello";
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42 goto cg2(testout);
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43 }
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44
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45 __code cg2(TEST testin){
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46 printf("number = %d\t string= %s\n",testin.number,testin.string);
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47 }
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48
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49 int main(){
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50 TEST test = {0,0};
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51 goto cg1(test);
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52 }
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53 ```
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54
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105
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55 ## スクリプト言語処理系
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92
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56 - 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
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57 - 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
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58 - バイトコードに変換するフロントエンド部分
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59 - バイトコードを解釈する仮想機械
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81
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60
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100
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61 <img src="fig/bytecode_sample_generally_lang.svg" width="80%">
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62
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63
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81
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64 ## Rakudo
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65 - Rakudoとは現在のPerl6の主力な実装である．
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93
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66 - Rakudoは次の構成になっている
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108
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67 - 実行環境のVM (MoarVM)
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93
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68 - Perl6のサブセットであるNQP(NotQuitPerl)
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69 - NQPで記述されたPerl6(Rakudo)
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81
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70
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71 ## MoarVM
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72
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73 - Perl6専用のVMであり, Cで記述されている
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74 - レジスタマシンとして実装されている．
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92
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75
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76
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77 ## MoarVMのバイトコード
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78
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79 - MoarVMは16ビットのバイナリを命令バイトコードとして利用している
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80 - 命令にはその後に16ビットごとにオペランド(引数)を取るものがある
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81
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82 ```
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83 add_i loc_3_int, loc_0_int, loc_1_int
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84 set loc_2_obj, loc_3_obj
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85 ```
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111
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86 ## MoarVMのバイトコード
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87
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119
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88 - 次の様なNQPのソースコードをバイトコードに変換した際の対応を見る
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89
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111
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90 ```
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91 sub test_func(int $left, int $right){
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92 my int $sum := $left + $right;
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93 ++$sum;
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94 return $sum;
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95 }
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96
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97 my $arg1 := 1;
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98 my $arg2 := 8;
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99
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100 say(test_func($arg1,$arg2));
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101
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102 ```
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103
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104 ## MoarVMのバイトコード
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105
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106
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107 <img src="fig/code_to_bytecode.svg" width="80%" style="text-align:center;padding-left: 100px;">
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92
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108
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93
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109 ## MoarVMのバイトコードインタプリタ
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110 - バイトコードは連続したメモリに確保されている
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111 - その為次の処理を繰り返す必要がある
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112 - 16ビットごとで読み込み
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113 - 読み込んだビットから、命令に対応する処理を呼び出し
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114 - その処理を実行する
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115 - この処理をバイトコードディスパッチと呼び、 実行する部分をバイトコードインタプリタと呼ぶ
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92
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116
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106
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117 ## MVM_interp_runの内部処理
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118
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119 - MoarVMは関数 `MVM_interp_run` でバイトコードに応じた処理を実行する
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120 - gccやclangを利用してコンパイルした場合、 ラベルgotoで命令ディスパッチが実行される
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121
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108
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122 <img src="fig/origin_label_goto.svg" width="30%" style="text-align:center;padding-left: 300px;">
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106
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123
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92
|
124 ## MoarVMのバイトコードインタプリタ
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125
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93
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126 - マクロDISPATCHで, ラベルgotoかcase文に変換が行われる
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127 - バイトコードは数値として見る事が出来る為、 case文に対応する事が出来る
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81
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128 - この中の `OP` で宣言されたブロックがそれぞれバイトコードに対応する処理となっている．
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129
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130 ```
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131 DISPATCH(NEXT_OP) {
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132 OP(const_i64):
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|
133 GET_REG(cur_op, 0).i64 = MVM_BC_get_I64(cur_op, 2);
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|
|
134 cur_op += 10;
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|
|
135 goto NEXT;
|
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136 }
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137
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138 ```
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139
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106
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140
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81
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141 ## MVM_interp_runで使用されているマクロ
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142
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143 ```
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144 DISPATCH(NEXT_OP) {
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145 OP(const_i64):
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146 ```
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147
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107
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148 - マクロ `OP` は次の様に定義している
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81
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149
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150 ```
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151 #define OP(name) OP_ ## name
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152 ```
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153
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102
|
154 - マクロ `OP` が, バイトコードの名前をC言語のラベルに変換する
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81
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155
|
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|
156
|
|
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157 ```
|
|
|
158 OP_const_i16:
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102
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159 ```
|
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|
160
|
|
|
161 ```
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|
162 #OP_const_i16
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81
|
163 ```
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|
|
164
|
|
|
165 ## MVM_interp_runで使用されているマクロ
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|
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166
|
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108
|
167 ```
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|
|
168 OP(const_i64):
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|
|
169 GET_REG(cur_op, 0).i64 = MVM_BC_get_I64(cur_op, 2);
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|
|
170 cur_op += 10;
|
|
|
171 goto NEXT;
|
|
|
172 ```
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|
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173
|
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|
174 - `cur_op`は次のバイトコード列が登録されており, マクロ `NEXT` で決められた方法で次のバイトコードに対応した処理に遷移する．
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175
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|
176 ## MVM_interp_runで使用されているマクロ
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177
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|
178 ```
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179 OP(const_i64):
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|
180 GET_REG(cur_op, 0).i64 = MVM_BC_get_I64(cur_op, 2);
|
|
|
181 cur_op += 10;
|
|
|
182 goto NEXT;
|
|
|
183 ```
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184
|
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107
|
185 - 次の命令に移動する `NEXT`はラベルテーブルにアクセスし, ラベルを取り出す
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102
|
186 - 取り出したNEXTはラベルなので、 ラベルgotoの拡張が実装されている場合はgoto文でジャンプ出来る
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108
|
187 - 次の命令に対応する数値は, `NEXT_OP` というマクロで取り出す
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81
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188
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189 ```
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190 #define NEXT_OP (op = *(MVMuint16 *)(cur_op), cur_op += 2, op)
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191 #define NEXT *LABELS[NEXT_OP]
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192
|
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193 ```
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194
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195
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196 ## MVM_interp_runのラベルテーブル
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197
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93
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198 - 利用するCコンパイラが、ラベルgotoをサポートしている場合に実行される
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199 - 配列`LABELS`にアクセスし, ラベル情報を取得する
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200 - ラベル情報を取得出来ると、 そのラベルに対してラベルgotoを利用する
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81
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201
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202 ```
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203 static const void * const LABELS[] = {
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204 &&OP_no_op,
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205 &&OP_const_i8,
|
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|
206 &&OP_const_i16,
|
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|
207 &&OP_const_i32,
|
|
|
208 &&OP_const_i64,
|
|
|
209 &&OP_const_n32,
|
|
|
210 &&OP_const_n64,
|
|
|
211 &&OP_const_s,
|
|
|
212 &&OP_set,
|
|
|
213 &&OP_extend_u8,
|
|
|
214 &&OP_extend_u16,
|
|
|
215 &&OP_extend_u32,
|
|
|
216 &&OP_extend_i8,
|
|
|
217 &&OP_extend_i16,
|
|
|
218 ```
|
|
|
219
|
|
|
220
|
|
|
221 ## MVM_interp_run
|
|
|
222
|
|
93
|
223 - Cの実装の場合, switch文に展開される可能性がある
|
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102
|
224 - 命令ディスパッチが書かれているCソースファイルの指定の場所にのみ処理を記述せざるを得ない
|
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93
|
225 - 1ファイルあたりの記述量が膨大になり, 命令のモジュール化ができない
|
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|
226 - 高速化手法の、 Threaded Codeの実装を考えた場合, この命令に対応して大幅に処理系の実装を変更する必要がある．
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|
81
|
227 - デバッグ時には今どの命令を実行しているか, ラベルテーブルを利用して参照せざるを得ず, 手間がかかる．
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|
|
228
|
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|
229
|
|
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230
|
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95
|
231 ## CbCでの変換
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81
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232
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93
|
233 - CbCのCodeGearは関数よりも小さな単位である
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|
234 - その為、 従来は関数化出来なかった単位をCodeGearに変換する事が出来る
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|
81
|
235 - CbCをMoarVMに適応すると, ラベルなどで制御していた命令に対応する処理をCodeGearで記述する事が可能である
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95
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236
|
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108
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237
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|
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238
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95
|
239 ## CbCMoarVMのバイトコードディスパッチ
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240
|
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107
|
241 - オリジナルでは, マクロ `NEXT` が担当していた、 次のバイトコードへの移動は, NEXT相当のCodeGear `cbc_next`で処理を行う
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81
|
242 - CodeGearの入出力として, MoarVMなどの情報をまとめた構造体を利用する
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|
243
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244 ```
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245 __code cbc_next(INTERP i){
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|
246 __code (*c)(INTERP)
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|
247 c = CODES[(i->op = *(MVMuint16 *)(i->cur_op), i->cur_op += 2, i->op)]; // c = NEXT(i)
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|
248 goto c(i);
|
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|
249 }
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|
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250
|
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|
251 __code cbc_const_i64(INTERP i){
|
|
|
252 GET_REG(i->cur_op, 0,i).i64 = MVM_BC_get_I64(i->cur_op, 2);
|
|
|
253 i->cur_op += 10;
|
|
|
254 goto cbc_next(i);
|
|
|
255 }
|
|
|
256
|
|
|
257 ```
|
|
|
258
|
|
108
|
259
|
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81
|
260 ## CodeGearの入出力インターフェイス
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|
261
|
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|
262 - MoarVMではレジスタの集合や命令列などをMVM_interp_runのローカル変数として利用し, 各命令実行箇所で参照している
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|
263 - CodeGearに書き換えた場合, このローカル変数にはアクセスする事が不可能となる．
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|
108
|
264
|
|
|
265 ## CodeGearの入出力インターフェイス
|
|
|
266 - 入出力としてMoarVMの情報をまとめた構造体interpのポインタであるINTERPを受け渡し, これを利用してアクセスする
|
|
81
|
267
|
|
|
268
|
|
|
269 ```
|
|
|
270 typedef struct interp {
|
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|
271 MVMuint16 op;
|
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|
272 MVMuint8 *cur_op;
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273 MVMuint8 *bytecode_start;
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|
|
274 MVMRegister *reg_base;
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|
|
275 /* Points to the current compilation unit
|
|
|
276 . */
|
|
|
277 MVMCompUnit *cu;
|
|
|
278 /* The current call site we’re
|
|
|
279 constructing. */
|
|
|
280 MVMCallsite *cur_callsite;
|
|
|
281 MVMThreadContext *tc;
|
|
|
282 } INTER,*INTERP;
|
|
|
283 ```
|
|
|
284
|
|
|
285 ## CbCMoarVMのCodeGearテーブル
|
|
|
286
|
|
|
287 - CodeGearテーブルは引数としてINTERを受け取るCodeGearの配列として定義する
|
|
95
|
288 - テーブルとして宣言することで、 バイトコードの値をそのままテーブルに反映させる事が可能である
|
|
81
|
289
|
|
|
290 ```
|
|
|
291 __code (* CODES[])(INTERP) = {
|
|
|
292 cbc_no_op,
|
|
|
293 cbc_const_i8,
|
|
|
294 cbc_const_i16,
|
|
|
295 cbc_const_i32,
|
|
|
296 cbc_const_i64,
|
|
|
297 cbc_const_n32,
|
|
|
298 cbc_const_n64,
|
|
|
299 cbc_const_s,
|
|
|
300 cbc_set,
|
|
|
301 cbc_extend_u8,
|
|
|
302 cbc_extend_u16,
|
|
|
303 ```
|
|
|
304
|
|
108
|
305 ## CbCMoarVMの状態遷移
|
|
|
306
|
|
|
307 <img src="fig/cbc_next.svg" width="80%" style="text-align:center;padding-left: 120px;">
|
|
81
|
308
|
|
|
309
|
|
96
|
310 ## MoarVMとCbCMoarVMのトレース
|
|
81
|
311
|
|
96
|
312 - MoarVMのデバッグ時には、 次の命令が何であるかは直接は判断出来なかった
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|
81
|
313
|
|
|
314 ```
|
|
|
315 Breakpoint 1, dummy () at src/core/interp.c:46
|
|
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316 46 }
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317 #1 0x00007ffff75689da in MVM_interp_run (tc=0x604a20,
|
|
|
318 initial_invoke=0x7ffff76c7168 <toplevel_initial_invoke>, invoke_data=0x67ff10)
|
|
|
319 at src/core/interp.c:1169
|
|
|
320 1169 goto NEXT;
|
|
|
321 $2 = 162
|
|
|
322 ```
|
|
96
|
323 - CbCMoarVMの場合は、 次に実行する命令名を確認する事が出来る
|
|
81
|
324
|
|
|
325 ```
|
|
|
326 Breakpoint 2, cbc_next (i=0x7fffffffdc30) at src/core/cbc-interp.cbc:61
|
|
|
327 61 goto NEXT(i);
|
|
|
328 $1 = (void (*)(INTERP)) 0x7ffff7566f53 <cbc_takeclosure>
|
|
|
329 $2 = 162
|
|
|
330 ```
|
|
|
331
|
|
|
332 ## MoarVMのデバッグ
|
|
|
333
|
|
|
334 - cur_opのみをPerlスクリプトなどを用いて抜き出し, 並列にログを取得したオリジナルと差分を図る
|
|
|
335 - この際に差異が発生したバイトコードを確認し, その前の状態で確認していく
|
|
|
336
|
|
|
337 ```
|
|
|
338 25 : 25 : cbc_unless_i
|
|
|
339 247 : 247 : cbc_null
|
|
|
340 54 : 54 : cbc_return_o
|
|
|
341 140 : 140 : cbc_checkarity
|
|
|
342 558 : 558 : cbc_paramnamesused
|
|
|
343 159 : 159 : cbc_getcode
|
|
|
344 391 : 391 : cbc_decont
|
|
|
345 127 : 127 : cbc_prepargs
|
|
|
346 *139 : 162
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347 cbc_invoke_o:cbc_takeclosure
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348 ```
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349
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350 ## 現在のCbCMoarVM
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351
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352 - 現在はNQP, Rakudoのセルフビルドが達成でき, オリジナルと同等のテスト達成率を持っている
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95
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353 - その為、 NQP, Rakudoの実行コマンドであるnqp perl6が起動する様になった
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108
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354
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355 ## 現在のCbCMoarVM
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95
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356 - moarの起動時のオプションとして `--cbc` を与えることによりCbCかオリジナルを選択可能である
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108
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357 - `--cbc` オプションをmoarの起動時に設定することでCbCで書き換えたインタプリタが起動する
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81
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358
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359 ```
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360 #!/bin/sh
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361 exec /mnt/dalmore-home/one/src/Perl6/Optimize/llvm/build_perl6/bin/moar --cbc \
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|
362 --libpath=/mnt/dalmore-home/one/src/Perl6/Optimize/llvm/build_perl6/share/nqp/lib \
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363 /mnt/dalmore-home/one/src/Perl6/Optimize/llvm/build_perl6/share/nqp/lib/nqp.moarvm "$@"
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364 ```
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365
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366 ## CbCMoarVMと通常のMoarVMの比較
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367
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368 - CbCMoarVMと通常のMoarVMの速度比較を行った
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102
|
369 - NQPで実装した2種類の例題を用いた
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370 - 単純なループで数値をインクリメントする例題
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371 - 再帰呼び出しを用いてフィボナッチ数列を求める例題
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372
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373
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|
374 ## フィボナッチの例題
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375
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376 ```
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377 #! nqp
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378
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379 sub fib($n) {
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|
380 $n < 2 ?? $n !! fib($n-1) + fib($n - 2);
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|
381 }
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382
|
|
|
383 my $N := 30;
|
|
|
384 my $z := fib($N);
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|
|
385 say("fib($N) = " ~ fib($N));
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|
386 ```
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|
387
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112
|
388 ## フィボナッチの例題
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|
102
|
389
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390 - フィボナッチの例題ではCbCMoarVMが劣る結果となった
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391
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104
|
392 <table style="border: 2px solid #595959;">
|
|
102
|
393 <tbody>
|
|
104
|
394 <tr style="border: 2px solid #595959;">
|
|
|
395 <td style="border: 2px solid #595959;">[単位 sec]</td>
|
|
|
396 <td style="border: 2px solid #595959;"></td>
|
|
|
397 <td style="border: 2px solid #595959;"></td>
|
|
|
398 <td style="border: 2px solid #595959;"></td>
|
|
|
399 </tr>
|
|
|
400 <tr style="border: 2px solid #595959;">
|
|
|
401 <td style="border: 2px solid #595959;">MoarVM</td>
|
|
|
402 <td style="border: 2px solid #595959;">1.379</td>
|
|
|
403 <td style="border: 2px solid #595959;">1.350</td>
|
|
|
404 <td style="border: 2px solid #595959;">1.346</td>
|
|
102
|
405 </tr>
|
|
|
406 <tr>
|
|
104
|
407 <td style="border: 2px solid #595959;">CbCMoarVM</td>
|
|
|
408 <td style="border: 2px solid #595959;">1.636</td>
|
|
|
409 <td style="border: 2px solid #595959;">1.804</td>
|
|
|
410 <td style="border: 2px solid #595959;">1.787</td>
|
|
102
|
411 </tr>
|
|
|
412 </tbody>
|
|
|
413 </table>
|
|
|
414
|
|
104
|
415 <style type="text/css">
|
|
|
416 table , td, th {
|
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|
417 border-collapse: collapse;
|
|
|
418 }
|
|
|
419 td, th {
|
|
|
420 padding: 12px;
|
|
|
421 width: 120px;
|
|
|
422 height: 40px;
|
|
|
423 }
|
|
|
424 th {
|
|
|
425 background: #f0e6cc;
|
|
|
426 }
|
|
|
427 .even {
|
|
|
428 background: #fbf8f0;
|
|
|
429 }
|
|
|
430 .odd {
|
|
|
431 background: #fefcf9;
|
|
|
432 }
|
|
|
433 </style>
|
|
|
434
|
|
102
|
435 ## 単純ループ
|
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81
|
436
|
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|
437 ```
|
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|
438 #! nqp
|
|
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439
|
|
|
440 my $count := 100_000_000;
|
|
|
441
|
|
|
442 my $i := 0;
|
|
|
443
|
|
|
444 while ++$i <= $count {
|
|
|
445 }
|
|
|
446 ```
|
|
|
447
|
|
112
|
448 ## 単純ループ
|
|
81
|
449
|
|
102
|
450 - 単純ループの場合は1.5secほど高速化した
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|
451 - これは実行する命令コードが、 CPUのキャッシュに収まった為であると考えられる
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|
81
|
452
|
|
104
|
453 <table style="border: 2px solid #595959;">
|
|
102
|
454 <tbody>
|
|
104
|
455 <tr style="border: 2px solid #595959;">
|
|
|
456 <td style="border: 2px solid #595959;">[単位 sec]</td>
|
|
|
457 <td style="border: 2px solid #595959;"></td>
|
|
|
458 <td style="border: 2px solid #595959;"></td>
|
|
|
459 <td style="border: 2px solid #595959;"></td>
|
|
102
|
460 </tr>
|
|
|
461 <tr>
|
|
104
|
462 <td style="border: 2px solid #595959;">MoarVM</td>
|
|
|
463 <td style="border: 2px solid #595959;">7.499</td>
|
|
|
464 <td style="border: 2px solid #595959;">7.844</td>
|
|
|
465 <td style="border: 2px solid #595959;">7.822</td>
|
|
102
|
466 </tr>
|
|
|
467 <tr>
|
|
104
|
468 <td style="border: 2px solid #595959;">CbCMoarVM</td>
|
|
|
469 <td style="border: 2px solid #595959;">6.135</td>
|
|
|
470 <td style="border: 2px solid #595959;">6.362</td>
|
|
|
471 <td style="border: 2px solid #595959;">6.074</td>
|
|
102
|
472 </tr>
|
|
|
473 </tbody>
|
|
|
474 </table>
|
|
81
|
475
|
|
95
|
476 ## CbCMoarVMの利点
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477 - バイトコードインタプリタの箇所をモジュール化する事が可能となった
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478 - CodeGearの再利用性や記述生が高まる
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|
479 - CodeGearは関数の様に扱える為、 命令ディスパッチの最適化につながる実装が可能となった
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|
480 - デバッグ時にラベルではなくCodeGearにbreakpointを設定可能となった
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481 - デバッグが安易となる
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482 - CPUがキャッシュに収まる範囲の命令の場合、 通常のMoarVMよりも高速に動作する
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483
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484 ## CbCMoarVMの欠点
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485
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486 - MoarVMのオリジナルの更新頻度が高い為, 追従していく必要がある
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487 - CodeGear側からCに戻る際に手順が複雑となる
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488 - CodeGearを単位として用いる事で複雑なプログラミングが要求される.
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489
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81
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490
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102
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491 ## まとめ
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81
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492 - 継続と基本としたC言語 Continuation Based Cを用いてPerl6の処理系の一部を書き直した
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105
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493 - CodeGearによって, 本来はモジュール化出来ない箇所をモジュール化が可能となった
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494 - デバッグが通常のディスパッチと比較して安易になった
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102
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495 - CPUキャッシュに収まるループなどの命令の場合は、 通常のMoarVMよりも高速に動作する
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496 - 今後はCodeGearの特性を活用し、 直接次の命令を実行する処理を実装する
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120
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497
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498 ## CodeGearへの変換
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499 - 次のcaseに移動する箇所はそのcase文に対応するCodeGearを指定する
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500 - 中でGC対策を行っている命令は、 一時的にvoid型関数で処理を行う
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501 - 中で利用している `cur_op` などは、 ポインタ `inter` 経由で操作する
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