Pythonはどうやって動くのか / Python How to Work

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1 24 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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2 24 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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3 24 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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4 24 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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5 24 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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6 24 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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7 24 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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8 24 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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9 24 「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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10 24 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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11 24 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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12 24 "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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13 24 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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14 24 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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15 24 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 24 "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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17 24 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 24 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 24 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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20 24 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 24 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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22 24 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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23 24 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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24 24 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 * +