Perl6の内部表現

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

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が存在する
• IDE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

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

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

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

(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)

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