Pythonはどうやって動くのか / Python How to Work

プログラミング基礎同演習10

Transcript

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   Pythonはどうやって動くのか
   プログラミング基礎同演習
   慶應義塾大学理工学部物理情報工学科
   渡辺
   

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   Pythonが動く仕組み
   抽象構文木
   仮想マシンとバイトコード
   

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   Pythonが動く仕組みを知らなくてもPythonは使える
   ではなぜ学ぶか？→それが教養だから
   電子レンジも冷蔵庫も、仕組みを知らなくても問題なく使えるが、
   我々はなんとなく仕組みを知っているし、知っているべき
   

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   コンピュータは
   1. メモリから命令とデータを取ってくる
   2. 命令に従って演算器にデータを投げる
   3. 演算器から返ってきた結果をメモリに書き戻す
   という処理を繰り返す
   メモリ
   CPU
   演算器
   発注
   製造依頼
   製品
   納品
   

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   整数を二つ受け取って四則演算をして返す計算機を考える
   「3+4」や「8-5」という式を数字で表現
   演算方法を数字で表現する
   0
   ＋
   1
   －
   2
   ×
   3
   ÷
   命令表(オペコード)
   例えば「3+4」は「0,3,4」、「8-5」は「1,8,5」で表す
   0 3 4
   opcode operand
   何をするか データ
   

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   0 3 4 1 8 5
   メモリ
   メモリから命令とデータを取ってくる
   0 3 4
   opcode operand
   命令表を見て、どの演算
   器に投げるか決める
   加算器 減算器 乗算器 除算器
   3 4
   0
   ＋
   1
   －
   2
   ×
   3
   ÷
   命令表(オペコード)
   0
   

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   機械語は数字の羅列
   コンピュータは機械語しか理解できない
   「3+4」は「0,3,4」という数字列で表現
   機械語 (Machine Language)
   アセンブリ言語 (Assembly Language)
   「0,3,4」が「3+4」というのは分かりづらい
   機械語と一対一対応する形でわかりやすく
   0 3 4
   opcode operand
   ADD 3,4
   アセンブラ
   ※ 実行バイナリ作成にはリンカも必要
   

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   ADD 3,4
   アセンブリ言語 (Assembly Language)
   ではまだわかりづらい
   機械語はCPUによって異なる
   → アセンブリ言語もCPUによって異なる
   → 人間にわかりやすい形、かつ共通な書き方をしたい
   プログラム言語 (Programming Language)
   3+4
   人間がわかりやすい形で書く
   ADD 3,4
   アセンブリに変換 機械語に変換
   0,3,4
   ここの変換を行うのがコンパイラ
   アセンブラ
   

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   「3+4」を「ADD 3, 4」に変換したい・・・どうやって？
   字句解析
   "3 + 4"
   プログラムを意味のある最小単位(トークン)にバラす
   3 + 4
   数 加算記号 数
   構文解析
   トークンの関係を解析する
   3 + 4 3
   +
   4
   抽象構文木(Abstract Syntax Tree, AST)
   

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    プログラム 抽象構文木
    Abstract Syntax Tree, AST
    アセンブリ言語
    Assembly
    Language
    機械語
    Machine Language
    人間が読める 計算機が読める
    コンパイラ
    0 3 4
    opcode
    operand
    字句解析
    構文解析
    意味解析
    etc.
    "3 + 4"
    3
    +
    4
    ADD 3,4
    Programming
    Language
    

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    プログラム 抽象構文木
    Abstract Syntax Tree, AST
    バイトコード
    LOAD_CONST 3
    LOAD_CONST 4
    BINARY_ADD
    Byte Code
    Programming
    Language
    人間が読める パーサ
    仮想マシン
    Virtual Machine, VM
    インタプリタ
    計算機が読める
    3
    +
    4
    "3 + 4"
    

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    "3 + 4" LOAD_CONST 3
    LOAD_CONST 4
    BINARY_ADD
    プログラム バイトコード 仮想マシン
    バイトコード
    仮想マシン
    仮想的なコンピュータの動作をエミュレートするもの
    スタックマシンの形を取ることが多い
    仮想マシンのためのアセンブリ言語
    プログラムの中間表現
    

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    荷物置き場が一つだけあり
    ・一番上に積む(push)
    ・一番上から取り出す(pop)
    ことしかできないデータ構造
    push pop
    途中にデータを挿入する
    ことはできない
    途中のデータを
    取り出すこともできない
    ※荷物は重いので一度に一つしか持てない
    

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    メモリとしてスタックを使う仮想マシン
    "3 + 4"
    LOAD_CONST 3
    LOAD_CONST 4
    BINARY_ADD
    プログラム バイトコード
    スタックに3を積む
    スタックに4を積む
    スタックの上二つを足す
    スタックマシンでの動作
    

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    LOAD_CONST 3
    3
    push
    LOAD_CONST 4
    4
    push
    3 3
    4
    3
    4
    BINARY_ADD
    3 4
    pop
    4
    3 + = 7
    7
    push
    7
    3
    4
    pop
    

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16. 16
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    "3 + 4"
    LOAD_CONST 3
    LOAD_CONST 4
    BINARY_ADD
    プログラム
    (中置記法)
    バイトコード 逆ポーランド記法
    (後置記法)
    3 4 +
    演算子を、被演算子の後ろに置く記法
    

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    演算子でないものはスタックに積む
    (二項)演算子が来たら、スタックの上から二つ取り出し、演算結果を積む
    逆ポーランド記法の読み方
    3 4 + 3をスタックに積む
    4をスタックに積む
    + スタックから二つ取り出して加算
    LOAD_CONST 3
    LOAD_CONST 4
    BINARY_ADD
    スタックマシンのバイトコードは逆ポーランド記法で記述されている
    

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18. 18
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    a b * c +
    a * b + c
    中置記法 逆ポーランド記法
    a
    push b
    push
    a a
    b
    ab
    ab
    c
    push
    ab
    c
    a
    b
    ab
    c
    ab+c ab+c
    BINARY_MULTIPLY
    BINARY_ADD
    

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19. 19
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    a b c * +
    a + b * c
    中置記法 逆ポーランド記法
    a
    push b
    push
    a a
    b
    c
    push
    a
    b
    c
    b
    c
    a a
    bc
    a
    bc a+bc a+bc
    BINARY_MULTIPL
    Y
    BINARY_AD
    D
    

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    なくて良い
    別に
    ・Pythonではプログラムを抽象構文木に、さらに
    バイトコードに変換し、仮想マシン上で実行する
    ・バイトコードは仮想的なコンピュータのアセンブリ
    ・Pythonの仮想マシンはスタックマシン
    ・スタックマシンと逆ポーランド記法は相性が良い
    

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21. 21
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    プログラム 抽象構文木
    Abstract Syntax Tree,
    AST
    バイトコード
    LOAD_CONST 3
    LOAD_CONST 4
    BINARY_ADD
    Byte Code
    Programming
    Language
    3
    +
    4
    "3 + 4"
    ここを確認する
    

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    プログラム 抽象構文木
    Abstract Syntax Tree,
    AST
    バイトコード
    LOAD_CONST 3
    LOAD_CONST 4
    BINARY_ADD
    Byte Code
    Programming
    Language
    3
    +
    4
    "3 + 4"
    ここを確認する
    

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    スタックマシンで計算機を実装する
    プログラム 抽象構文木
    Abstract Syntax Tree,
    AST
    バイトコード
    LOAD_CONST 3
    LOAD_CONST 4
    BINARY_ADD
    Byte Code
    Programming
    Language
    仮想マシン
    Virtual Machine, VM
    計算機が読める
    3
    +
    4
    "3 + 4"
    ここを作る
    

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    プログラム 抽象構文木
    Abstract Syntax Tree,
    AST
    バイトコード
    LOAD_CONST 3
    LOAD_CONST 4
    BINARY_ADD
    Byte Code
    Programming
    Language
    仮想マシン
    Virtual Machine, VM
    計算機が読める
    3
    +
    4
    "3 + 4"
    ここを作る
    中置記法 逆ポーランド記法
    3 + 4 3 4 +
    a + b x c a b c * +
    

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