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コンパイラ演習 第 1 回 (2011/10/06)

コンパイラ演習 第 1 回 (2011/10/06). 中村 晃一　野瀬 貴史 　前田 俊行 秋山 茂樹　池尻 拓朗 鈴木 友博　渡邊 裕貴 潮田 資秀 小酒井 隆広 山下 諒蔵　佐藤 春旗 大山 恵弘　佐藤 秀明 住井 英二郎. プロセッサ・コンパイラ実験 全体 の大目標. 計算機システム を作る 計算機システムが ( ハードもソフトも ) “black box” でないことを身をもって学ぶ. プロセッサ・コンパイラ実験 全体の進め方. 班 (4〜5 人程度 ?) に分かれて進める うち 1 人をコンパイラ係とする 具体的には以下を作成する

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コンパイラ演習 第 1 回 (2011/10/06)

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  1. コンパイラ演習第 1 回(2011/10/06) 中村晃一　野瀬貴史　前田俊行 秋山 茂樹　池尻 拓朗 鈴木 友博　渡邊 裕貴 潮田 資秀 小酒井 隆広 山下 諒蔵　佐藤 春旗 大山 恵弘　佐藤 秀明 住井 英二郎

  2. プロセッサ・コンパイラ実験全体の大目標 • 計算機システムを作る • 計算機システムが (ハードもソフトも)“black box” でないことを身をもって学ぶ

  3. プロセッサ・コンパイラ実験全体の進め方 • 班 (4〜5人程度?) に分かれて進める • うち1人をコンパイラ係とする • 具体的には以下を作成する • 自作CPUの設計・実装 • 自作CPU向けのコンパイラ (クロスコンパイラ) • etc. • レイトレーシングプログラムを正しく動作させることが条件

  4. コンパイラ係の目標 • 自作CPU向けのコンパイラを実装する

  5. 演習の進め方 • 毎回講義を15～45分ほど行う • 対象言語: OCamlもどき • 記述言語: OCaml • あとは各自で演習してもらう • コンパイラを実装する、課題を解く等 • 講義資料等は以下に置いておきます • http://www.yl.is.s.u-tokyo.ac.jp /wiki/lectures/CompilerEnshu2011.ja

  6. お手本とするコンパイラ • 「美しい日本の ML コンパイラ」 (通称 MinCaml) • 作者: 住井 英二郎 • 対象言語: OCamlもどき • 記述言語: OCaml • 対象CPU: SPARC、PowerPC • URL:http://min-caml.sourceforge.net/

  7. 講義内容 (変更の可能性あり) • コンパイラの概要 (今回) • K正規化、α変換、最適化 • クロージャ変換 • 仮想マシンコード生成 • レジスタ割り当て • アセンブリ生成、末尾呼び出し最適化 • ？？？？？？？？？？？？？？ • ？？？？？？？？？？？？？？ • ？？？？？？？？？？？？？？ • ？？？？？？？？？？？？？？ • ？？？？？？？？？？？？？？ • ？？？？？？？？？？？？？？ 基礎編 応用編

  8. 課題について • 二種類の課題がある • 共通課題 • 全員が解くことを想定している課題 • コンパイラ係向け課題 • コンパイラ係が解くことを想定している課題

  9. コンパイラ係以外の人の単位取得条件 • 共通課題を 6 つ以上提出すること かつ • CPU担当教員の出す条件をクリアすること

  10. コンパイラ係の人の単位取得条件 • 自作 CPU (またはシミュレータ) 上でレイトレーシングプログラムが完動すること • MinCamlを改造する形でもよい かつ • 共通課題を 6 つ以上提出すること かつ • コンパイラ係向け課題を 1 つ以上提出すること かつ • CPU担当教員の出す条件をクリアすること

  11. コンパイラの概要

  12. コンパイラとは • ある言語のプログラムを他の言語に翻訳するシステム • gcc • C  アセンブリ • javac • Java  JVM bytecode • ocamlc • OCaml  OCaml VM bytecode • ocamlopt • OCaml  アセンブリ • etc.

  13. コンパイルの例 アセンブリコード .section ".text" gcd.7: cmp %i2, 0 bne be_else.17 nop mov %i3, %i2 retl nop be_else.17: cmp %i2, %i3 bg ble_else.18 nop sub %i3, %i2, %i3 b gcd.7 nop ble_else.18: sub %i2, %i3, %o5 mov %i3, %i2 mov %o5, %i3 b gcd.7 nop ソースコード let recgcd m n = if m = 0 then n else if m <= n then gcd m (n - m) else gcd n (m - n)

  14. コンパイラの難しいところ 言語間のギャップが大きい レジスタ・メモリ ジャンプ・条件分岐 CPU命令 • 変数 • 関数・クロージャ • 式・文 アセンブリコード ソースコード

  15. 解決法: ちょっとずつ変換する 概念図 ソースコード 中間言語1 クロージャ 変換 仮想マシンコード 生成 アセンブリ 中間言語2 レジスタ 割当て 変数 ジャンプ・条件分岐 式・文 レジスタ・メモリ ジャンプ・条件分岐 CPU命令 変数 関数・クロージャ 式・文 変数 ジャンプ・条件分岐 CPU命令

  16. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l)))))))))

  17. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l))))))))) 字句解析

  18. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l))))))))) 構文解析

  19. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l))))))))) 型検査

  20. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l))))))))) K 正規化

  21. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l))))))))) α 変換

  22. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l))))))))) 最適化

  23. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l))))))))) クロージャ 変換

  24. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l))))))))) 仮想マシンコード生成

  25. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l))))))))) レジスタ割当て

  26. MinCamlではこんな感じ (* main.ml *) let lexbufoutchan l = Id.counter := 0; Typing.extenv := M.empty; Emit.foutchan (RegAlloc.f (Simm13.f (Virtual.f (Closure.f (iter !limit (Alpha.f (KNormal.f (Typing.f (Parser.exp Lexer.token l))))))))) アセンブリ生成

  27. 字句解析・構文解析 • 字句解析 • 文字列をトークン (単語)の列に変換する • 構文解析 • トークン列を抽象構文木に変換する • MinCamlでは ocamllex、ocamlyaccを用いる • ML演習第4回参照

  28. MinCamlの型検査 • 基本的には ML の型推論 • ML演習第 6 回参照 • ただし、以下の点に注意 • 推論の実装に reference を用いている • 未定義の変数があった場合に「外部変数」とみなす • 型多相はサポートしていない

  29. K 正規化 • 計算途中の結果にも全て変数をつける • アセンブリに少し近づける • 評価順序が少し明確になる let a = 1 + 2 in let b = a - 3 in let c = b + 4 in let d = c – 5 in d 1 + 2 - 3 + 4 - 5

  30. α 変換 • 変数の名前をつけかえる • 全ての変数が互いに異なる名前をもつようにする • 最適化やその後の処理が楽になる let x0 = 1 in let x1 = x0 + 1 in x1 let x = 1 in let x = x + 1 in x

  31. 最適化 • MinCamlでは以下の3 つの処理を繰り返し行っている • インライン展開 • 定数たたみこみ • 不要定義削除 • 他にも最適化の手法はたくさんあるので自分で色々試してみるとよい

  32. クロージャ変換 • ネストした関数定義を平らにする 超大雑把な図式 let f a = let g b = a + b in g 3 let g a b = a + b let f a = g a 3 実際には MinCamlではa はクロージャを介して 渡される

  33. 仮想マシンコード生成 • よりアセンブリに近い形式に変換する • 実際のアセンブリとの違い • レジスタは無限個ある • if 式や関数呼出しがある • タプルやクロージャ、配列の操作をメモリロード・ストア命令の組み合わせに変換する

  34. レジスタ割当て • 仮想マシンコードのレジスタに実際のレジスタを割り当てる • MinCamlではそれ程複雑なことはしていない • そこそこの速さ & そこそこの易しさ • MinCamlで性能を出すためにはここの改造は必須の予感

  35. アセンブリ生成 • 実際のアセンブリを出力する • ここでようやく関数呼出しや if 式を実際の命令に変換している • 加えて末尾呼出しの最適化をしている • ループ最適化を頑張りたい場合にはここではちょっと遅いかも?

  36. 課題

  37. 共通課題 • 今回は全3問のうちどれかを解けばよい • もちろん全部解いてもよい

  38. 共通課題 その1 • MinCamlを改造しSyntax.tや KNormal.tなどの値を出力できるようにせよ • 出力の形式や方法は問わないが真面目にやればデバッグのとき役に立つかも • 例えば以下のような感じ 出力 … If LE Var(n) Int(1) Int(1) Add … 入力 (* test/fib.ml *) let rec fib n = if n <= 1 then 1 else fib (n-1) + fib (n-2) in print_int(fib 30)

  39. 共通課題 その2 • MinCamlを改造しパースエラー時および型エラー時にどの箇所 (例: 行番号や列番号等)に問題があったかを表示するようにせよ

  40. 共通課題 その3 • MinCamlを改造し出力されたアセンブリのどの命令が入力されたソースのどの式に対応するかを判別できるようにせよ • 例えば、対応を表すファイルをコンパイル時に生成するなど

  41. 課題の提出先と締切 • 提出先: compiler-report-2011@yl.is.s.u-tokyo.ac.jp • 質問等はcompiler-query-2011@yl.is.s.u-tokyo.ac.jp まで • 締切: 2 週間後 (10/20) の午後 1 時（JST) • コンパイラ係向け課題の締切は2012年2月28日 • Subject は Report <課題番号> <学籍番号:5桁> とすること • 例: Report 1 11099 • 間にスペースを 1 つずついれること • メールの本文にも氏名と学籍番号を明記すること • 正常に受理されれば通知メールが届くはずなので確認してください

  42. 課題提出についての注意 • プログラムだけでなく説明・実行例・考察なども書くこと • 基本的にはメール本文に解答を記述すること • ただし、多くのソースコードを送る必要がある場合にはtar などで固めて提出してよい

  43. 謝辞 • 本講義では、昨年度までの講義を担当された以下の方々によって書かれた資料の多くを再利用させていただいております。ここに感謝いたします。 • 住井英二郎先生、大山恵弘先生、佐藤秀明氏、山下諒蔵氏、佐藤春旗氏、小酒井隆広氏、潮田資秀氏、 • 鈴木友博氏、渡邊裕貴氏、秋山 茂樹氏、池尻 拓朗氏

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