言語理論とコンパイラ

第十五回: 実行環境、ゴミ集め、仮想計算機、動的コンパイル

2015年 7 月 17 日

http://www.sw.it.aoyama.ac.jp/2015/Compiler/lecture15.html

Martin J. Dürst

© 2005-15 Martin J. Dürst 青山学院大学

今日の予定

• これからの予定
• 実行環境
• ゴミ集め
• 仮想計算機
• 動的コンパイル

これからの予定

• 7月24日 11:10-12:35 (85分): 期末試験

再配置可能プログラム

• コンパイラはソースプログラム一つを再配置可能プログラム一つにコンパイル

  (例: gcc )

• 拡張子の例: .o (Unix/Linux) や .obj (Windows)
• 主な中身:
  • 機械コード
  • 定数
  • 未定義のシンボルのリスト
  • 外部参照可能なシンボルのリスト
  • アドレスの修正が必要な個所のリスト

再配置可能プログラムの検証

• cygwin などで nm コマンドを使用
• 出力の種類の意味:
  • 小文字は局所的 (ファイル内限定)
  • 大文字はグローバル (ファイル間)
  • B/b: BSS、初期化されてないデータ
  • D/d: Data、初期化されたデータ
  • R/r: Read only、読み専用のデータ
  • T/t: Text、プログラムの「文書」
  • U: Undefined、未定義
• 実行ファイルにも使用可能

実行環境

コンパイラと一緒の用意が必要

• コマンドライン引数の処理
• 環境変数の処理
• 例外処理
• 入出力など様々な関数・ライブラリ
• メモリ管理

従来の動的メモリの仕組み

• C の動的メモリの仕組:
  • 「なま」のメモリを malloc で用意
  • 使用完了後 free でシステムに返却
• C++ の動的メモリの仕組:
  • new で新しいオブジェクトを作成
  • 使用完了後 delete でシステムに返却
• 問題点:
  • 用意する場所と返す場所の相違
  • メモリの早期返却や返却忘れ (memory leak) など
• 対応:
  • 特別なツール (dmalloc, valgrind, Purify など)
  • ゴミ集め (garbage collection)

ゴミ集めの概要

• 手動の動的メモリ管理は手間が多く、バグが多発
• メモリが必要な時、new などで用意
• メモリの回収を自動化
• 専門用語: ゴミ集め (garbage collection, GC) と言う

ゴミ集めの仕組み

• ポインタを使用しないプログラム言語ではデータなどの型が明白
• 動的メモリにて参照される部分が計算可能
• 参照されない部分は使用不可能のため、再利用可能
• ゴミ集めの利点:
  • プログラマはメモリ管理に気を取られる必要がない
  • プログラム作成の効率が向上
  • memory leak などが撲滅
• ゴミ集めの問題点:
  
  • ゴミ集めに時間がかかる (ゴミ集めのために急にプログラムが停止することがある)
• ゴミ集めのデモ: garbage.rb (実行中にタスクマネージャでメモリ使用量を監視)
• 現在、動的メモリを自動的に管理する言語がほとんど (C, C++, Objective C 以外)

ゴミ集めの手法

• 参照カウント GC
• 印掃式 GC
• 複写式 GC
• 世代別 GC
• 上記の組み合わせなど

参照カウント GC

(reference count(ing) GC)

• 動的メモリの部分が参照されている数 (reference count) を記録
• 参照がコピー (代入) される場合、数を ++
• 参照が上書きされる場合など、数を --
• 参照カウントが 0 になるとき、メモリを回収
• 利点: 負担の分散 (途中で処理が停止する恐れ無し)
• 問題点: 参照のサイクルが残る

印掃式 GC

(mark and sweep GC)

• 全ての動的メモリの部分に印を付ける
• 印を最初、全てを off
• 静的メモリなどから参照を辿って、
  参照可能な動的メモリの部分の印を on に
• 印が off のままのメモリの部分を回収
• 問題点: 一般処理の一時停止

複写式 GC

(copying CG)

• 動的メモリ領域を二つ用意
• 領域の片方だけ使用
• 参照を辿って動的メモリをもう一つの領域にコピー
  (参照の書換を含む)
• 利点: 動的メモリの整理
• 問題点: メモリが二倍必要

世代別 GC

(generational GC)

• 長生きのデータと短期的なデータがある
• 動的メモリを二つ以上の「世代」に分割
• 若い世代を頻繁にゴミ集め
• 若い世代を何回か生き残ったものが別の世代へ
• 古い世代を少な目にゴミ集め
• 問題点: 古い世代から若い世代への参照に特別な注意が必要

仮想計算機

(virtual machine)

• 目的: 移植性の向上、 コンパイラの単純化
• 仕組み:
  • (実在しない機械の) 機械コードにプログラムをコンパイル
  • このコードを解釈・実行するプログラム (emulator) を用意
• 例: Pascal, JVM: Java Virtual Machine, Ruby 1.9~ (YARV), ...
  MacIntosh: 680x0 を PowerPC で実装、PowerPC をIntel i386 系で実装
• 問題点: 機械コードより遅い (一般的に三倍から十倍)
• 類似物: cygwin, wine, VMWare, Virtual PC, VirtualBox,...

動的コンパイル

• 目的: 仮想計算機などの効率化
• 仕組み (プログラム実行中):
  • よく使われるコード (例えば関数、繰り返し) の割り出し
  • このコードをできるだけ機械の命令に置き換える
• 高度な技法:
  • よく使われる引数の型や値などを割り出し、それ専用のコードの枝分かれを用意
• 問題点: 高度な技術が必要
• 具体例: Java HotSpot, LLVM

まとめ

• プログラムでは出力より入力が大変
• 入力は言語理論でモデル化可能
• コンパイラでは字句解析と構文解析に言語理論を使用
• 言語理論や字句解析・構文解析の知識はコンパイラ以外にも多数の応用
• プログラム言語の設計と実装がまだまだ面白い