カジュアルコントリビュータと学ぶRustコンパイラ

カジュアルコントリビュータと学ぶRustコンパイラ 2025/09/10 Rustの現場に学ぶ〜Webアプリの裏側からOS、人工衛星まで〜

目次自己紹介前提の整理カジュアルコントリビュータ？ Rustコンパイラの構成と特徴 Rustコンパイラ開発の個人的体験 1

自己紹介 yuki (@helloyuki_) Sansan株式会社のBill Oneというプロダクトでアーキテクト。普段は海外チームと働いています。 Rust.Tokyoのオーガナイザー。 2

前提の整理コンパイラに関するある程度の知識は既知とさせてください説明しているとさすがに15分〜20分では扱いきれないためです。字句解析（レキサ）、構文解析（パーサー）、抽象構文木あたりのイメージがつけば大丈夫…だと思う。尺の都合で実装レベルの話までは踏み込めません。懇親会でお話ししましょう…！私も初心者ですが。 3

カジュアルコントリビュータ？ 4

カジュアルコントリビュータ？定義私が勝手にそう呼んでいるだけで、一般的な定義はない。時折現れてIssueを解決していく人。ガチ勢ではない（ので、「カジュアル」）が、多少はコンパイラに詳しいだろうということで今日話をする。 5

カジュアルコントリビュータ？動機転職してRustエンジニアではなくなったので、Rustを触る機会が激減した。前からやってみたかったRust本体へのコントリビューションをしてみることに。 6

Rustコンパイラの構成と特徴 7

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成の概観を説明し、Rustコンパイラの特徴的な実装を2つ紹介する。全体的な構成: よくあるコンパイラの構成。ASTを構築後、中間表現に変換し、コード生成を経てバイナリが作られる。特徴的な設計: 「クエリシステム」「エラーメッセージ」あたりは、Rustコンパイラの特徴の一つと言える。 8

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成 Rustコンパイラ内では、大まかには次のように「中間表現（IR）」が変換されていく。 AST HIR MIR LLVM IR (Codegen) 上のフェーズから下のフェーズに中間表現が直されていくことを「lowering」と呼ぶ。
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Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成: AST ソースコードを解析（字句、構文）し、抽象構文木（Abstract Syntax Tree; AST）に直すフェーズ。ちなみにRustは、再帰下降構文解析で、パーサーを手で実装している。 10

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成: HIR HIR (High-level Intermediate Representation) と呼ばれる中間表現がまずは生成される。その後THIR (Typed
High-level Intermediate Representation)が生成され、次のフェーズ（MIR）に渡される。主には脱糖（desugar）を担う。たとえば、Rustの文法上現れる下記の文法機能は、コンパイラ内部では違う形で扱われる。 for式やwhile式は、すべてmatch + loopに変換される。 asyncやawaitは、コンパイラ内部表現としてコルーチンに変換される。 11

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成: HIR そのほか、型に関するさまざまな解析がかけられる。型推論、トレイトと実装の紐付け、型チェックはHIRへの変換のタイミングで行われる。パターンマッチ時に現れる網羅性チェックは、THIRへの変換のタイミングで行われる。 12

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成: HIR HIRは、次のcargoコマンドで確認できる。 cargo rustc -- -Z unpretty=hir-tree #
AST形式で出力 cargo rustc -- -Z unpretty=hir # Rustのコード形式で出力 cargo rustc -- -Z unpretty=thir-tree 13

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成: HIR 試しに下記のようなコードをHIRとして出力させてみる。 fn main() { let nums =
vec![1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]; let mut ans = 0; for num in nums { ans += num; } assert_eq!(ans, 55); } 14

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成: HIR 本来のHIR自体はこのようにASTに近しい形だが、少し読みにくいのでRustコードに近い形式で出力させる。 DefId(0:0 ~ for_hir[8e24]) => OwnerNodes
{ node: ParentedNode { parent: 4294967040, node: Crate( Mod { spans: ModSpans { inner_span: src/bin/for_hir.rs:1:1: 8:2 (#0), inject_use_span: no-location (#0), }, 15

すると、for式がmatch, loop, matchの形式で変換されていることを確認できる。 // ... fn main() { let nums
= <[_]>::into_vec(::alloc::boxed::box_new([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10])); let mut ans = 0; { let _t = match #[lang = "into_iter"](nums) { mut iter => loop { match #[lang = "next"](&mut iter) { #[lang = "None"] {} => break, #[lang = "Some"] { 0: num } => { ans += num; } } }, }; _t }; match (&ans, &55) { (left_val, right_val) => { if !(*left_val == *right_val) { let kind = ::core::panicking::AssertKind::Eq; ::core::panicking::assert_failed(kind, &*left_val, &*right_val, ::core::option::Option::None); } } }; } 16

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成: MIR THIRからMIR（Mid-level Intermediate Representation）が生成される。 MIRはRustコンパイラの根幹をなす中間表現である。主には制御フローグラフに基づいた中間表現になっており、型付けもなされた状態である。たとえば下記が含まれる。ボローチェック（Borrow
Check）。単相化（Monomorphization）: コンパイル時にジェネリクスを具体的に型に置き換えて実装を生成し、実行速度を最適化する仕組み。 17

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成: MIR MIRは、次のcargoコマンドで出力できる。 cargo rustc -- -Z unpretty=mir 18

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成: MIR HIRで使用したのと同じコードを使ってMIRを出力させてみると、次のような出力を見ることができる。 copy などの文字列が見られる。 fn main() ->
() { let mut _0: (); let _1: std::vec::Vec<i32>; // ... bb1: { _6 = ShallowInitBox(move _5, [i32; 10]); _26 = copy ((_6.0: std::ptr::Unique<[i32; 10]>).0: std::ptr::NonNull<[i32; 10]>) as *const [i32; 10] (Transmute); _27 = copy _26 as *const () (PtrToPtr); _28 = copy _27 as usize (Transmute); _29 = AlignOf([i32; 10]); _30 = Sub(copy _29, const 1_usize); _31 = BitAnd(copy _28, copy _30); _32 = Eq(copy _31, const 0_usize); assert(copy _32, "misaligned pointer dereference: address must be a multiple of {} but is {}", copy _29, copy _28) -> [success: bb15, unwind unreachable]; } 19

Rustコンパイラの構成と特徴全体的な構成: LLVM IR（Codegen） MIRからLLVM IRが生成される。バイナリが生成される直前のフェーズであると言える。バイナリの生成までにはさらにいくつかのステップを経るが、詳しくは下記の記事を参考にできる。 Resolving
Rust Symbols: https://blog.shrirambalaji.com/posts/resolving-rust-symbols/ ちなみに、この記事の著者は昨年Rust.Tokyoに登壇してくれた。 20

特徴的な設計 21

Rustコンパイラの構成と特徴特徴的な設計クエリシステム（Query System）エラーメッセージ（Diagnostics; 診断） 22

Rustコンパイラの構成と特徴特徴的な設計 > クエリシステム: クエリシステムとは一義的には、あるキーに対するクエリ（問い合わせ）があった際に、その結果を返す。結果はキャッシュされ、2回目以降の問い合わせではキャッシュの結果を使用する、というもの。アナロジー的には、Rustコンパイラの各モジュールの知識はいわゆるデータベースのようになっていて、そのデータベースに対してクエリをかけ、結果を取得す
る。 23

Rustコンパイラの構成と特徴特徴的な設計 > クエリシステム: クエリシステムとはソースコードを全部コンパイルするのではなく、最終的に生成されるバイナリ等に必要になるソースコード部分や機能のみコンパイルする。かつ、問い合わせがあるまではコンパイルは遅延される。これをRustコンパイラの説明では、Demand-Driven Compilation（要求駆動コンパ
イル）などと呼んでいる。本筋から外れるが、このシステムを実装できるSalsaというOSSがある。 https://github.com/salsa-rs/salsa 24

Rustコンパイラの構成と特徴特徴的な設計 > クエリシステム: TyCtxt<'tcx> 各クエリの結果は TyCtxt<'tcx> の構造体に実装されている関数を経由して取り出せる。 TyCtxt
が持つ type_of() などの関数を呼び出すと、 i. キャッシュがあるかないかをまずチェックする。 ii. キャッシュがあればその値を返し、なければデフォルト実装用の関数を呼び出す。 iii. 結果はキャッシュとして保存される。 25

Rustコンパイラの構成と特徴特徴的な設計 > クエリシステム: クエリの定義内部的には rustc_queries! というマクロで定義されている。 rustc_queries! {
/// Records the type of every item. query type_of(key: DefId) -> Ty<'tcx> { cache_on_disk_if { key.is_local() } desc { |tcx| "computing the type of `{}`", tcx.def_path_str(key) } } ... } あとは先ほどの TypCtxt<'tcx> 経由で呼び出せる。 fn foo(tcx: TyCtxt<'_>, def_id: DefId) { let ident = tcx.type_of(def_id).instantiate_identity(); } 26

Rustコンパイラの構成と特徴特徴的な設計 > エラーメッセージ Rustのエラーメッセージは丁寧と話題だが、その裏側は意外と泥臭い。コンパイル時のさまざまな処理フローに対して、事細かにエラーメッセージの送出に関する記述をしている。条件分岐なども結構多く、そういうわけでエラーメッセージにはよくバグが見つかる。 27

Rustコンパイラの構成と特徴特徴的な設計 > エラーメッセージ: DiagCtxt クエリシステムと似たように、コンパイル時のエラー（診断; Diagnosticsという）については rust_errors::DiagCtxt というコンテクストに保有される。
実装中は rust_errors::DiagCtxtHandle<'a> を経由して呼び出す。実装時はこれに診断内容を送る。 28

Rustコンパイラの構成と特徴特徴的な設計 > エラーメッセージの管理エラーメッセージの管理自体は、コンパイラの各クレートに存在する message.ftl というファイルで行われている。このファイルはキーと値が詰まった形式になっている。よく見る実装の提案に関するヘルプメッセージなども定義できる。下記はたとえば、staticな可変参照を作ることはできない、というコンパイルエラ
ーに関するメッセージの定義。 lint_static_mut_refs_lint = creating a {$shared_label}reference to mutable static .label = {$shared_label}reference to mutable static .suggestion = use `&raw const` instead to create a raw pointer .suggestion_mut = use `&raw mut` instead to create a raw pointer``` 29

Rustコンパイラの構成と特徴特徴的な設計 > エラーメッセージの管理呼び出しは、コンパイルエラーを表現する構造体のアトリビュートに、どのエラーメッセージを呼び出すかの情報を記述して行われる。 #[derive(LintDiagnostic)] #[diag(lint_static_mut_refs_lint)] pub(crate) struct
RefOfMutStatic<'a> { #[label] pub span: Span, #[subdiagnostic] pub sugg: Option<MutRefSugg>, pub shared_label: &'a str, #[note(lint_shared_note)] pub shared_note: bool, #[note(lint_mut_note)] pub mut_note: bool, } 30

Rustコンパイラ開発の個人的体験 31

Rustコンパイラ開発の個人的体験前提として必要そうな知識など楽しい点と苦労している点 AIの活用プロジェクトへの印象など将来への展望 32

Rustコンパイラ開発の個人的体験前提として必要そうな知識など Rustそれ自体への理解は必要。 Issueを見て、「ああ、あの機能ね」とあたりがつくのが大事。コントリビューションを開始する前にまずRustを学ぶのは必須だと思う。コンパイラへの基礎的な理解は必要。コンパイラの教科書を一冊軽く読んでおくのをおすすめはする。ただ、公開されている開発者向けガイドで結構追いつけるといえば追いつける。英語でのコミュニケーションは必要。今はLLMを使ってなんとかなるので、最悪大丈夫。
でも、そもそも英語を使えれば心理的障壁なく、臆することなく普段のPull Request上でのノリで会話できるので、できるようになっておくにこしたことはないと思っている。 33

Rustコンパイラ開発の個人的体験楽しい点と苦労している点楽しい点 Rustに貢献できる点。自分の名前がコントリビュータリストに載る。なんとなく使っていた文法機能を深く理解できることが多い。 Rustを書ける。 34

Rustコンパイラ開発の個人的体験楽しい点と苦労している点苦労している点子持ちかつ休日もワンオペが多いタイプの人間（私）の場合、単に時間の捻出がかなり難しい。気合いで時間を見つけてる。コードベースが巨大すぎて普段使ってるツールだと固まる。NeovimでがんばってるがさすがにVSCodeの方が動作が速い CIは長い。1回睡眠が挟まるレベル。 rust-analyzer、マクロに強くなってくれ。 35

Rustコンパイラ開発の個人的体験 AIの活用どちらかというと読む方にたくさん使っている。DeepWikiはとくに便利かも。書かせる方はなんか難しい。コードベースが巨大すぎるのか？で、わりと頓珍漢な回答が返ってくることも多い。実装のアイデアの相談には使える。 AIがなかったら人に聞かないといけなかったので、聞くのが億劫で正直コントリビュートできてなかったかも。 36

Rustコンパイラ開発の個人的体験プロジェクトへの印象などコードが巨大かつ、めちゃくちゃ綺麗に整理されているかというとそうでもない。強いリーダーシップやイニシアチブが求められていそうなフェーズに見える。コンパイルスピードの改善とかは、正直解決できないことはないと思うけど、全体を把握している人が少ない＆いろんなところへの影響を考慮しないといけないなどなどで重い腰が上がらないのはわかる。誰かが強い意志を持って主導しないと解決しない問題だと思う。全体を把握してる人、いるのか…？
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Rustコンパイラ開発の個人的体験将来への展望引き続き時間があるときにやるスタンスで行きたい。将来的にはasync/awaitの改善周りのプロジェクトに参加したい。 Rustをどうこうしたいという情熱を保ち続けるのが大事そう 38

最後に今日できなかった突っ込んだ話の大半は、「Rust Compiler Development Guide」に書いてあります。 https://rustc-dev-guide.rust-lang.org/ 39

おしまい。 40

カジュアルコントリビュータと学ぶRustコンパイラ

カジュアルコントリビュータと学ぶRustコンパイラ

Yuki Toyoda

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