Schemeコードをx86アセンブリにコンパイルする、トイコンパイラの紹介 https://github.com/nobutaka/nanopass

1. Scheme to x86
コンパイラ
多久島 信隆

2. 経緯
tracing GCを作ったことがない ⇒ せっかくな
ので処理系のGCを作りたい ⇒ Lisp
interpreter OR compiler ⇒ 黒魔術感のある
compiler ⇒ ターゲットは資料の多いx86

3. 経緯
SICP, PAIP, 3imp.pdf, Tiger book, EoPL,
MinCaml, etc. を参考にはじめる。実装も沢山
ある ⇒ An Incremental Approach to Compiler
Constructionに出会う ⇒ さくさく作れて楽し
い
この論文および関連資料を基礎にして進めてき
た

4. Schemeの紹介
極めてシンプル (ストイック) な言語仕様
予約語はありません
すべては式です
必要な構文は5つ (define quote if set! lambda)

5. S式
z1 → ((a . (b . ())) . ())
S式は最小限の労力で、グラフをテキストにシ
リアライズする手段
LispのプログラムコードはS式
a = 1 + 1 は (set! a (+ 1 1)) となる

6. Program as Data
他の言語ならコンパイラが構文解析して内部に作られる構文木を、Lispでは
直接プログラムとして書き下すわけだ。しかも、この構文木はプログラムか
らアクセスできるから、構文木自身を操作するプログラムを書くことができ
る。Lispではそのようなプログラムをマクロと呼ぶ。いわば、プログラムを
生成するプログラムだ。
ポール・グレアム
⇒ 処理系が必要になれば、S式からS式のトランスレー
タを書けばよく、それは簡単、ということです。

7. 特徴的な言語要素
レキシカルスコープ
無限のエクステント
1st class lambda, 1st class continuation
マクロ
GC

8. nanopassコンパイラ
R5RSサブセット 伝統的マクロ
x86＝32bit register Exact copying GC
machine
FFI callout, callback
3bit tagged value
Schemeで実装
CPS変換による
parser, 最適化はなし
continuation
https://github.com/nobutaka/nanopass

9. fixnum if

10. flonum string vector

11. let map list

12. vararg FFI call/cc

13. 方針
コンパイルフェーズを細かく分け、小さな変換
を繰り返す ⇒ nanopass
micro schemeを実装してその上にfull scheme
を実装する
数値をコンパイルできるところからはじめ、ボ
トムアップに拡張する

14. コンパイルフェーズ
約10フェーズ (parserはGaucheのreadで代用)
ライブラリ追加 ⇒ マクロ展開 ⇒ 内部define除
去 ⇒ begin構文単純化 ⇒ CPS変換 ⇒ 代入, free
変数, ヒープリテラル解析 ⇒ 代入boxing/un-
boxing ⇒ ヒープリテラルlifting ⇒ lambda
lifting ⇒ プロローグ追加, コード生成

15. マクロ展開
詳しくはLisp in Small Pieces
コンパイル時に評価器が必要
マクロもコンパイルして実行 OR interpreterを
実装しておく OR 外部プログラムを呼び出す
Gaucheのevalを呼んで実装

16. 継続の実装
スタックコピー OR CPS変換
スタックコピーの実装についてはfault on
continuation (Gauche-devel-jp)でぐぐる
コード変換だけで実装できることから、CPS変
換を選択

17. CPS変換
詳しくはThe 90 minute Scheme to C compiler
なんらかの簡約を行うか、素朴な変換を止め
ないとコードがとても大きくなります
継続がない場合はSSAと等価だそう
CPS変換するとすべて末尾呼び出しになります

18. クロージャの実装
プログラミング言語の進化を追え: 第4回 大人
のためのブラックボックス読解講座
interpreterならstatic linkをたどる実装が簡単
クロージャの自由変数を引数に追加して除去す
る、lambda liftingで実装

19. Code Generation
Architecture
http://www.cs.indiana.edu/eip/compile/
back.html
frame, closure, allocation, accumulator,
temporary*3 registers + 独自のスタック
Destination-driven Code Generation: 単純かつ
トップダウンのアプローチ

20. GC
Cheney’s two-finger collectorをCで実装
current frame pointer, current closure pointer,
accumulator, temporary registersをrootとする
当初の目的だったGCの実装はわずか300行……

21. FFI callout
データ変換とメモリ管理が要点
C friendlyな型 (null終端文字列や32bit word)
を保持できるようにして、Scheme側で自動変
換。stable pointerではありません
(dlsym asciiz) (foreign-call fptr args size)
libffiなどは使えないのでOSXのABIに従いcall

22. FFI callback
Scheme↔Cの相互呼び出しがあり得る
tall callのみでなくなる (フレームが伸びる)
コンテキストスイッチのため実行時に
trampolineコードを生成
いつGCが動いてもよいような配慮

23. デモ

24. 振り返ると
1 word 64bitにすべき モデルと実装のギャッ
だった プが埋まった
interpreterなら簡単な 竹内先生の最終講義を
ことが難しい 聞きに行ったり
脳がとけるかと思った ちょっと草植えときま
GCのバグ すね型言語 Grassが分
かるようになったり
ま、とにかく楽しかったです