PHPからはじめるコンピュータアーキテクチャ / PHP Meets Silicon: A Fun Dive into Computer Structures

長谷川智希
𝕏
@tomzoh
2023/09/15 PHPカンファレンス沖縄 2023
プログラムの実行とレイヤー化されたコンピュータ
PHPからはじめる

コンピュータアーキテクチャ

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2
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͸͕ͤΘ ͱ΋͖
@tomzoh
http://www.dgcircus.com
デジタルサーカス株式会社副団長CTO
ॴଐ ٕज़ΧϯϑΝϨϯεओ࠻
دߘɾஶॻ
来たれ！PHPer！We are hiring!
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3
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@tomzoh
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長谷川智希 @tomzoh
PHPからはじめるコンピュータアーキテクチャ 4
プログラムの実行とレイヤ化されたコンピュータ
PHPからはじめる

コンピュータアーキテクチャ

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PHPからはじめるコンピュータアーキテクチャ
今日のテーマ
5

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今日のテーマ
テーマ1 そもそもプログラムを実行するとは何か
5

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今日のテーマ
テーマ1 そもそもプログラムを実行するとは何か
テーマ2 レイヤ化された近代のコンピュータアーキテクチャ
5

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👉 プログラムの実行

レイヤ化
6

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プログラムの実行
7

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• プログラムを実行するというのは具体的に何をしているか
7

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• みなさんはふだん何を実行していますか？
7

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• PHPのプログラム
7

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• Docker
7

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• Docker
• JavaScript （ブラウザ, Node.js）
7

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• Docker
• Safari, Chrome, …
7

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• Docker
• PhpStorm
7

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• Docker
• PhpStorm
• macOS
7

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2つの実行
8

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• プログラムの実行方法は2種類ある
2つの実行
8

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• CPUでの実行（電気回路による実行）
2つの実行
8

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• プログラムでの実行
2つの実行
8

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2つの実行
8
• マシン語（機械語）

• アセンブラ

• コンパイラ

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2つの実行
8
• マシン語（機械語）

• アセンブラ

• コンパイラ
• インタープリタ

• VM

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実行方式1: CPUでの実行
9

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• CPUが実行できるのはマシン語（機械語・アセンブラ・アセンブリ言語）のみ
9

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• 文法を持たない単純な命令のセット
9

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• Instruction Set: IS
9

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• メインの機能は:
 
データをメモリ/レジスタ（変数）の間でコピーする, 演算する, （条件付きで）ジャンプするぐらい
9

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• レジスタは決まった名前/サイズで決まった個数あるだけ
9

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• 命令は単体で完結し、文法はない
9

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• プログラム言語とは言えないぐらい原始的
9

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• プログラム言語とは言えないぐらい原始的
• 電気回路として実装されている
9

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マシン語
10

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マシン語
• 見た目は生のバイナリ
10

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マシン語
• C3 11 11 の3バイトでアドレス 1111 にジャンプするとかそんな感じ
10

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マシン語
• スパルタすぎる…
10

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マシン語
• C3 = JP みたいに人間にとってわかりやすい名前が付いてたりする
10

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マシン語
• JP 1111 って書くと少しマシ
10

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マシン語
• ニーモニックという
10

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マシン語
• ニーモニックで書かれたプログラム（テキストファイル）をマシン語のバイナリに変換する
 
プログラムをアセンブラと呼ぶ
10

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マシン語
• ニーモニックで書かれたプログラム（テキストファイル）をマシン語のバイナリに変換する
 
プログラムをアセンブラと呼ぶ
• 転じてニーモニックで書かれたプログラムをアセンブラとかアセンブリ言語と言ったり
10

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実行方式2: プログラムでの実行
11

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• プログラムがプログラムを読み込んで解釈して実行する
11

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• 例: PHPコマンド（プログラム）がPHPのソースコードを読み込んで解釈して実行する
11

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• 解釈 = パース
11

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• 読み込む対象はソースコード（テキスト）でないこともある
11

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• Java: ソースコード（テキストファイル / HelloWorld.java）
 
→ バイトコード（バイナリ / HelloWorld.class） → java HelloWorld
11

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• Java: ソースコード（テキストファイル / HelloWorld.java）
 
→ バイトコード（バイナリ / HelloWorld.class） → java HelloWorld
• どちらの方式でも
 
実行 = 命令を読み込んでその通りに動作する
 
ということ
11

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PHPでの実行
12

$a=100;
test.php

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PHPでの実行
• php test.php
12

$a=100;
test.php

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PHPでの実行
• php test.php
• PHPが $a=100; という文字列を見たら…
12

$a=100;
test.php

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PHPでの実行
• php test.php
• 「$があるのでここから変数名で=は変数名に使えない文字なので
 
変数名は$aで確定。ということは次の = は代入で、100 は数字。
 
次に ; があるからここまで実行しよう」と解釈する
12

$a=100;
test.php

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PHPでの実行
• php test.php
 
 
• $a が既に存在しているかを調べる
12

$a=100;
test.php

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PHPでの実行
• php test.php
 
 
• 存在していなければメモリ上に $a の中身を保存する領域を
 
確保する
12

$a=100;
test.php

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PHPでの実行
• php test.php
 
 
 
確保する
• メモリ上の $a の領域に 100 を書く
12

$a=100;
test.php

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PHPでの実行
• php test.php
 
 
 
確保する
• プログラマからは$aという変数に100が代入された様に見える
12

$a=100;
test.php

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PHPでの実行
• php test.php
 
 
 
確保する
• プログラマからは$aという変数に100が代入された様に見える
• このように順次実行していくプログラムをインタープリタと呼ぶ
12

$a=100;
test.php

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インタープリタとコンパイラ
13

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• プログラムを順次実行していくプログラムをインタープリタと呼ぶ
13

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• プログラムを他の形式に変換するプログラムをコンパイラと呼ぶ
13

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• 変換動作はコンパイル何から何に変換してもコンパイル
13

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• Cコンパイラ C言語のソースコード（テキストファイル）をアセンブリ（テキストファイル）に
変換する
13

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変換する
• Javaコンパイラ Javaのソースコード（テキストファイル）をバイトコード（バイナリファイ
ル）に変換する
13

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変換する
• インタープリタとコンパイラは言語の特徴として対比して使われる
13

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変換する
• インタープリタとコンパイラは言語の特徴として対比して使われる
• が昨今はインタープリタ言語でも内部でコンパイルしてたりして単純ではない
13

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VM: Virtual Machine
14

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VM: Virtual Machine
• バイナリのプログラムを実行するプログラムをVMと言ったりする
14

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VM: Virtual Machine
• PC全体を仮想化したVMとは違う文脈
14

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VM: Virtual Machine
• PHP関連で言うと…
14

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VM: Virtual Machine
• PHP VM, HHVM (HipHop Virtual Machine)
14

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VM: Virtual Machine
• PHP Opcodeを実行するプログラム
14

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VM: Virtual Machine
• PHP Opcode = PHPのソースコードからコンパイルされたバイナリ
14

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VM: Virtual Machine
• Java VM
14

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VM: Virtual Machine
• Java VM
• Javaバイトコードを実行するプログラム
14

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VM: Virtual Machine
• Java VM
• Javaバイトコードを実行するプログラム
• Javaバイトコード = Javaのソースコードからコンパイルされたバイナリ
14

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15
実例いくつか

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PHP
インタープリタ
16

echo 'Hello, world.'
hello-world.php

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PHP
ソースコードをphpコマンドで実行
 
$ php helllo-world.php
16

hello-world.php

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Python
17
print('Hello, world.')
hello-world.py

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Python
ソースコードをpython3コマンドで実行
 
$ python3 hello-world.py
17
print('Hello, world.')
hello-world.py

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JavaScript
18
console.log("Hello, world.");
hello-world.js

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JavaScript
ソースコードを nodeコマンドで実行
 
$ node hello-world.js
18
hello-world.js

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JavaScript
 
複数のエンジン実装
18
hello-world.js

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JavaScript
 
• Node.js
18
hello-world.js

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JavaScript
 
• Node.js
• ブラウザ
18
hello-world.js

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JavaScript
 
• Node.js
• ブラウザ
• Bun
18
hello-world.js

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JavaScript
 
• Node.js
• ブラウザ
• Bun
複数の実装があるのは珍しくはない
18
hello-world.js

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JavaScript
 
• Node.js
• ブラウザ
• Bun
• RubyとかPythonも実装が複数ある
18
hello-world.js

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JavaScript
 
• Node.js
• ブラウザ
• Bun
• RubyとかPythonも実装が複数ある
• PHPもHackがあったり
18
hello-world.js

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Java
コンパイラ + インタープリタ
19

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Java
ソースコード（テキストファイル）
19
class HelloWorld {

public static void main(String[] args){

System.out.println("Hello, world.");

}

}

HelloWorld.java

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Java
Javaコンパイラ → バイトコード（バイナリ）
19
class HelloWorld {



}

}

HelloWorld.java

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Java
19
class HelloWorld {



}

}

HelloWorld.java
00000000 ca fe ba be 00 00 00 37 00 1d 0a 00 06 00 0f 09 |.......7........|

00000010 00 10 00 11 08 00 12 0a 00 13 00 14 07 00 15 07 |................|

00000020 00 16 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29 |........()|

00000030 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e |V...Code...LineN|

00000040 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 04 6d 61 69 |umberTable...mai|

:
HelloWorld.class

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Java
javaコマンドで実行
 
$ java HelloWorld
19
class HelloWorld {



}

}

HelloWorld.java
00000000 ca fe ba be 00 00 00 37 00 1d 0a 00 06 00 0f 09 |.......7........|

00000010 00 10 00 11 08 00 12 0a 00 13 00 14 07 00 15 07 |................|

00000020 00 16 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29 |........()|

00000030 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e |V...Code...LineN|

00000040 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 04 6d 61 69 |umberTable...mai|

:
HelloWorld.class

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C
コンパイラ
20

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C
コンパイラ
20
#include

int main(void){

printf("Hello, world.");

}
hello-world.c

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C
コンパイラ
Cコンパイラ
 
→ ニーモニック（テキストファイル）
20
#include

int main(void){


}
hello-world.c
.LC0:

.string "Hello, world."

:

main:

endbr64

pushq %rbp

movq %rsp, %rbp

leaq .LC0(%rip), %rdi

movl $0, %eax

call printf@PLT

movl $0, %eax

:
hello-world.s

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C
コンパイラ
Cコンパイラ
 
アセンブラ → マシン語（バイナリ）
20
#include

int main(void){


}
hello-world.c
.LC0:


:

main:

endbr64

pushq %rbp

movq %rsp, %rbp


movl $0, %eax

call printf@PLT

movl $0, %eax

:
hello-world.s

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C
コンパイラ
Cコンパイラ
 
20
#include

int main(void){


}
hello-world.c
.LC0:


:

main:

endbr64

pushq %rbp

movq %rsp, %rbp


movl $0, %eax

call printf@PLT

movl $0, %eax

:
hello-world.s
00000000 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |.ELF............|

00000010 03 00 3e 00 01 00 00 00 60 10 00 00 00 00 00 00 |..>.....`.......|

00000020 40 00 00 00 00 00 00 00 80 39 00 00 00 00 00 00 |@........9......|

:
hello-world

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C
コンパイラ
Cコンパイラ
 
CPUで実行 $ ./hello-world
20
#include

int main(void){


}
hello-world.c
.LC0:


:

main:

endbr64

pushq %rbp

movq %rsp, %rbp


movl $0, %eax

call printf@PLT

movl $0, %eax

:
hello-world.s
00000000 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |.ELF............|

00000010 03 00 3e 00 01 00 00 00 60 10 00 00 00 00 00 00 |..>.....`.......|

00000020 40 00 00 00 00 00 00 00 80 39 00 00 00 00 00 00 |@........9......|

:
hello-world

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Go
コンパイラ
21

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Go
コンパイラ
ソースコード（テキスト）
21
package main

import "fmt"

func main() {

fmt.Printf("Hello, world.")

}

hello-world.go

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Go
コンパイラ
go build コマンド → マシン語（バイナリ）
21
package main

import "fmt"

func main() {


}

hello-world.go
00000000 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |.ELF............|

00000010 03 00 3e 00 01 00 00 00 60 10 00 00 00 00 00 00 |..>.....`.......|

00000020 40 00 00 00 00 00 00 00 80 39 00 00 00 00 00 00 |@........9......|

:
hello-world

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Go
コンパイラ
CPUで実行 ./hello-world
21
package main

import "fmt"

func main() {


}

hello-world.go
00000000 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |.ELF............|

00000010 03 00 3e 00 01 00 00 00 60 10 00 00 00 00 00 00 |..>.....`.......|

00000020 40 00 00 00 00 00 00 00 80 39 00 00 00 00 00 00 |@........9......|

:
hello-world

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Go
コンパイラ
go run hello-world.go でも実行できる
 
（内部的に go build してるんじゃないかな…）
21
package main

import "fmt"

func main() {


}

hello-world.go
00000000 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |.ELF............|

00000010 03 00 3e 00 01 00 00 00 60 10 00 00 00 00 00 00 |..>.....`.......|

00000020 40 00 00 00 00 00 00 00 80 39 00 00 00 00 00 00 |@........9......|

:
hello-world

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Go
コンパイラ
go run hello-world.go でも実行できる
 
（内部的に go build してるんじゃないかな…）
21
package main

import "fmt"

func main() {


}

hello-world.go
00000000 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |.ELF............|

00000010 03 00 3e 00 01 00 00 00 60 10 00 00 00 00 00 00 |..>.....`.......|

00000020 40 00 00 00 00 00 00 00 80 39 00 00 00 00 00 00 |@........9......|

:
hello-world
$ݴޠͱಉ͡ʹݟ͑Δ͚Ͳɺ&-'ϔομ͸
 
όΠτͱ͔͋ΔΒ͍͠ͷͰʜ

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✅ プログラムの実行

👉 レイヤ化
22

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レイヤ化されたコンピュータ
23

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• 現代のコンピュータはソフトウェア/ハードウェアともにレイヤ化・抽象化されている
23

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• 各レイヤは下のレイヤのことは気にしなくて良い
23

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• PHPプログラム（hello-world.php)から見たら下のレイヤは…
23

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• PHPコマンド
23

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• PHPコマンド
• macOS, Linux, FreeBSD, Windows, Raspberry Pi OS, Solaris, …
23

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• PHPコマンド
• Intel x86, Apple Silicon, ARM, SPARC, …
23

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• PHPコマンド
• Mac, PC, Raspberry Pi, …
23

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• PHPコマンド
• Mac, PC, Raspberry Pi, …
• PHPプログラムはPHPコマンドで実行されることだけ意識すれば良い
 
（だいたいは）
23

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我々がPHPプログラムを実行すると…
$ php hello-world.php
24

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24
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro

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• CPUはphpコマンドを実行する
24
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro

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• Cで書かれたプログラム
24
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro

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• コンパイルされアセンブルされリンクされ
 
マシン語の実行ファイルになっている
24
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro

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• CPUでそのまま実行できる
24
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro

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• phpコマンドはPHPプログラムを読み込み、解釈し、
 
実行する
24
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro

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Goだと…？
$ go build hello-world.go; ./hello-world
25

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Goだと…？
25
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
hello-worldコマンド

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Goだと…？
• CPUはhello-worldコマンドを実行する
25
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro

View Slide

Goだと…？
• Goで書かれたプログラムがコンパイルされ
 
25
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro

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PHPとGoの違い
26

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PHPとGoの違い
PHPもGoも
 
CPUで動いているのは
 
マシン語のプログラム
26

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PHPとGoの違い
PHPもGoも
 
 
PHP phpコマンドが
 
PHPプログラムを都度解釈して
 
実行する
 
→ コンパイル不要
26
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro

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PHPとGoの違い
PHPもGoも
 
 
PHP phpコマンドが
 
PHPプログラムを都度解釈して
 
実行する
 
→ コンパイル不要
Go 事前にコンパイルしてCPUが
 
直接実行可能なファイルを作る
 
→ ハイパフォーマンス
26
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro

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もっと下のレイヤ
27
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
Linux
CPU
PC

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下のレイヤを気にしないのは
 
もっと下のレイヤでも同じ
27
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
Linux
CPU
PC

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Linuxは自分を実行しているの
が実CPUなのか仮想CPUなの
かは気にしない
27
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
Linux
CPU
PC

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27
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
Linux
CPU
PC
Mac
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
Linux
VM

（仮想ハードウェア）
macOS
CPU

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VM = CPUとハードウェアのフ
リをするソフトウェア
27
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
Linux
CPU
PC
Mac
hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
Linux
VM

（仮想ハードウェア）
macOS
CPU

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✅ レイヤ化
28

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さて…
29

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これで普通(?)の話は
 
終わりです
30

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プログラムが

下のレイヤを気にしないなら
31

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下は下で好きにやりましょう
32

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hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
下のレイヤが好きにやる
33

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hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
• PHPで書かれたプログラム（hello-world.php）は
 
自分より下を気にしていない
33

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hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
ここは何でもいい
 
33

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hello-world.php

PHPプログラム
phpコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
 
• 自分を実行してくれれば何でも良い
33

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HelloWorld.class

Javaバイトコード
javaコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
34

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HelloWorld.class

javaコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
Javaで書かれ、
 
Javaバイトコードに
 
変換されたプログラム
 
（HelloWorld.class）
34

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HelloWorld.class

javaコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
Javaで書かれ、
 
 
 
javaコマンドより下は
 
気にしていない
34

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HelloWorld.class

javaコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
Javaで書かれ、
 
 
 
 
34

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HelloWorld.class

javaコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
Javaで書かれ、
 
 
 
 
なら好きにしてみよう
34

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HelloWorld.class

javaコマンド
macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
PHPJava

PHPプログラム
phpコマンド
HelloWorld.class

macOS
Apple Silicon

CPU
Mac Book Pro
Javaで書かれ、
 
 
 
 
なら好きにしてみよう
34

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PHPで書かれたJVM
PHPJava
35
https://fortee.jp/phperkaigi-2019/proposal/6f792375-335a-432e-b1b4-7b649a5152e4
https://github.com/php-java/php-java

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PHPJava
• @m3m0r7 さん
35

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PHPJava
• @m3m0r7 さん
• バイトコードを解釈し実行する
35

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PHPJava
• @m3m0r7 さん
• バイトコードを解釈し実行する
• PHPerKaigi 2019 にトークあります
35

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ほかにも…
36

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みんな大好きファミコン
37

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37
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ

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• カートリッジ左半分には6502*1用の
 
マシン語プログラムが格納されている
37
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
*1 実際は6502ベースのカスタムIC RP2A03

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• カートリッジ右半分には
 
キャラクタのパターンが格納されている
37
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン

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• このマシン語プログラムも当然
 
下のレイヤは気にしない
37
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン

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37
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン

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• なら好きにさせてもらおう
37
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン

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37
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン

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37
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン
話は聞かせて

もらった！！

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37
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン
話は聞かせて

もらった！！
好きにさせて

もらおう！

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PHPで書かれたファミコンエミュレータ
38

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• php-terminal-nes-emulator *1
38
*1 https://github.com/hasegawa-tomoki/php-terminal-nes-emulator

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• 長谷川が書いた
38

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• bokuweb/
fl
ownes という既存の
 
JavaScript実装の写経
38

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• bokuweb/
fl
ownes という既存の
 
JavaScript実装の写経
• PHPでファミコンのCPU/PPUの
 
フリをする
38

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6502のマシン語
39

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6502のマシン語
39
78 D8 A9 10 8D 00 20 A2 FF 9A AD 02 20 10 FB AD

02 20 10 FB A0 FE A2 05 BD D7 07 C9 0A B0 0C CA
$8000

$8010
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F

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6502のマシン語
• 基本的に1バイト = 1命令
39
78 D8 A9 10 8D 00 20 A2 FF 9A AD 02 20 10 FB AD

$8000

$8010
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F

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6502のマシン語
• 命令に引数が付くこともある
39
78 D8 A9 10 8D 00 20 A2 FF 9A AD 02 20 10 FB AD

$8000

$8010
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F

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6502のマシン語
39
$78

$D8

$A9 $10

$8D $00 $20

$A2 $FF

$9A
$8000

$8001

$8002

$8004

$8007

$8009
SEI

CLD

LDA #imm

STA abs

LDX #imm

TXS
78 D8 A9 10 8D 00 20 A2 FF 9A AD 02 20 10 FB AD

$8000

$8010
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F

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6502のマシン語
• $78（16進数の78） = SEI 命令
39
$78

$D8

$A9 $10

$8D $00 $20

$A2 $FF

$9A
$8000

$8001

$8002

$8004

$8007

$8009
SEI

CLD

LDA #imm

STA abs

LDX #imm

TXS
78 D8 A9 10 8D 00 20 A2 FF 9A AD 02 20 10 FB AD

$8000

$8010
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F

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6502のマシン語
• $78（16進数の78） = SEI 命令
• $A9 = LDA 命令
39
$78

$D8

$A9 $10

$8D $00 $20

$A2 $FF

$9A
$8000

$8001

$8002

$8004

$8007

$8009
SEI

CLD

LDA #imm

STA abs

LDX #imm

TXS
78 D8 A9 10 8D 00 20 A2 FF 9A AD 02 20 10 FB AD

$8000

$8010
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F

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6502のマシン語
• $78（16進数の78） = SEI 命令
• $A9 = LDA 命令
• 引数の値をAレジスタに入れる
39
$78

$D8

$A9 $10

$8D $00 $20

$A2 $FF

$9A
$8000

$8001

$8002

$8004

$8007

$8009
SEI

CLD

LDA #imm

STA abs

LDX #imm

TXS
78 D8 A9 10 8D 00 20 A2 FF 9A AD 02 20 10 FB AD

$8000

$8010
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F

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ファミコンエミュレータの実装
40

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ファミコンエミュレータの実装 - CPU
41
※ php-terminal-nes-emulatorのコードではありません

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• CPUのエミュレーションは簡単
41

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• マシン語を実行するだけだから
41

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• マシン語は構文解析なしに実行できる
41

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• PCレジスタ = イマココ
41

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• STA abs
41

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• STA abs
• 引数で指定されたメモリにAレジスタの
 
データを保存する
41

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• STA abs
 
41
$8D $00 $20
$8004 STA abs

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• STA abs
 
41
class Cpu

{

:

$instruction = $this->ram[$this->pc];

$this->pc++;

:

switch ($instruction){

:

case 0x8d:

$addr = $this->ram[$this->pc] * 16 +

$this->ram[$this->pc + 1];

$this->ram[$addr] = $this->a;

$this->pc += 2;

break;

:
$8D $00 $20
$8004 STA abs

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• STA abs
 
41
class Cpu

{

:

$instruction = $this->ram[$this->pc];

$this->pc++;

:

switch ($instruction){

:

case 0x8d:

$addr = $this->ram[$this->pc] * 16 +

$this->ram[$this->pc + 1];

$this->ram[$addr] = $this->a;

$this->pc += 2;

break;

:
$8D $00 $20
$8004 STA abs
めちゃ単純

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ファミコンエミュレータの実装 - 画面
42
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン

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• CPUから特定のメモリアドレスを
 
読み書きするとPPUにアクセスできる
42
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン

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• ということは↓の世界
42
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン
$this->ram[$addr] = $value

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42
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン
• CPU命令実行したあとに
 
PPUのターンを作る

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42
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン
 
PPUのターンを作る while (true) {

$this->cpu->run();

$renderingData = $this->ppu->run();

$this->renderer->render($renderingData);

}

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42
CPU

6502
PPU
RAM V-RAM
APU
カートリッジ
マシン語

プログラム
キャラクタ

パターン
 
PPUのターンを作る
• PPUのターンではVRAMの内容を
 
絵にするだけ
while (true) {

$this->cpu->run();

$renderingData = $this->ppu->run();

$this->renderer->render($renderingData);

}

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ほかにも…
43

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ほかの下のレイヤが好きにやるパターン
44

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• Rosetta 2

• Apple SiliconのMacでIntel CPU用のバイナリ（マシン語）を動作させる

• Intel CPU用バイナリはIntel CPUの上で動いているつもりで動作してる
44

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• Rosetta 2


• Docker

• Mac上でLinuxを動作させる
44

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• Rosetta 2


• Docker

• Mac上でLinuxを動作させる
• 仮想マシン

• 物理PC上で仮想PCを動作させる

• EC2とかさくらのVPSとか
44

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という訳で…
45

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✅ レイヤ化

✅ 好きにやる
46

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まとめ
• そもそもプログラムを実行するとは何か

• CPUでの実行（電気回路による実行） or プログラムでの実行

• PHP, Python, Java, JavaScript, C, Goの実行の違い

• 近代のコンピュータはレイヤー化されている

• 下のレイヤのことは気にしなくて良くなっている

• 仮想サーバとかDockerとかエミュレータはその特性を活かしている

• エミュレータは難しくない

• エミュレータとかコンパイラとかを楽しもう
47
長谷川智希
@tomzoh
𝕏

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おまけ
48

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PHP
ソースコードをphpコマンドで実行
 
$ php helllo-world.php
49

hello-world.php
$ php -dopcache.enable_cli=1 -dopcache.opt_debug_level=0x10000
hello-world.php

$_main: ; (lines=2, args=0, vars=0, tmps=0)

; (before optimizer)

; /home/tom/tmp/php/hello-world.php:1-3

L0 (2): ECHO string("Hello, world.")

L1 (3): RETURN int(1)

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余談: 本当に左右に分かれてるファミコンカートリッジ
50
プログラム
CPUに接続
キャラクタ
PPUに接続

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余談: トランスパイル
• トランスパイルという言葉もある

• 何かから何かに変換するという意味ではコンパイルと同じ

• プログラム言語からほかのプログラム言語への変換で使われる

• TypeScript → JavaScript とか

• JavaScriptのPoly
fi
llとか

• 動作としてはコンパイルと同じ

• C言語 → アセンブラの場合にはコンパイルと言う

• 高水準言語 → 高水準言語の場合を明示的に示すために使われ始めた…？
51

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余談: CとGoの違い
• どちらも最終的にマシン語の実行ファイルができる

• Cで作った hello-world と Go で作った hello-world

• 動作は同じなのにサイズがだいぶ違う Cは17KB, Goは 2MB

• 動的リンクと静的リンク

• libc

• 静的リンクすると852KB
52
$ ls -alFh

合計 60K

-rwxrwxr-x 1 tom tom 17K Sep 12 04:16 hello-world*

$ ls -alFh

合計 2.0M

-rwxrwxr-x 1 tom tom 2.0M Sep 12 04:57 hello-world*

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PHPからはじめるコンピュータアーキテクチャ / PHP Meets Silicon: A Fun Dive into Computer Structures

PHPからはじめるコンピュータアーキテクチャ / PHP Meets Silicon: A Fun Dive into Computer Structures

HASEGAWA Tomoki

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PHPからはじめるコンピュータア ーキテクチャ / PHP Meets Silicon: A Fun Dive into Computer Structures

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