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あの言語のインタープリターを書いてみた

 あの言語のインタープリターを書いてみた

2025.4.12 開発合宿@鳴子温泉旅館すがわら

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YONEZAWA Izumi

April 13, 2025

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  1. Brainf*ck - https://ja.wikipedia.org/wiki/Brainfuck - いわゆる難解プログラミング言語のうち、最も著名なもの - (メモリーが無限であれば)チューリング完全 - 8つの命令、1つのメモリー領域、1つの入力、1つの出力を持つ -

    > ポインタをインクリメントする。ポインタをptrとすると、C言語の「ptr++;」に相当する。 - < ポインタをデクリメントする。C言語の「ptr--;」に相当。 - + ポインタが指す値をインクリメントする。C言語の「(*ptr)++;」に相当。 - - ポインタが指す値をデクリメントする。C言語の「(*ptr)--;」に相当。 - . ポインタが指す値を出力に書き出す。C言語の「putchar(*ptr);」に相当。 - , 入力から1バイト読み込んで、ポインタが指す先に代入する。C言語の「*ptr=getchar();」に相当。 - [ ポインタが指す値が0なら、対応する ] の直後にジャンプする。C言語の「while(*ptr){」に相当。 - ] ポインタが指す値が0でないなら、対応する [ (の直後)にジャンプする。C言語の「}」に相当、
  2. パース - 制御構造があるのでパースは必須です - [ は条件しだいで「対応する」 ] に、また ] は条件しだいで「対応する」

    [ にジャン プします - こういう場合の「対応」は典型的なスタック処理です - コードを先頭から読み、 [ が出てきたらその位置をスタックに積みます - ] が出てきたらそのコード上の位置を、スタックから取り出した値(=[ の位置)とと もに記憶します - ソースコードを1回スキャンして、 case class Code(c: Char, close: Option[Int] = None, open: Option[Int] = None)の配列に変換し ます
  3. パーサー部分 case class Loops(open: Seq[Int] = Seq.empty, open2Close :Map[Int, Int]

    = Map.empty, close2Open: Map[Int, Int] = Map.empty) { def isEmpty = open.isEmpty def head = open.head def push(pos: Int) = Loops(pos +: open, open2Close, close2Open) def pop(pos: Int) : Try[Loops] = if (isEmpty) { Failure(Error("loop underflow", pos)) } else { Success(Loops(open.tail, open2Close + (open.head -> pos), close2Open + (pos -> open.head))) } } def parse(code: String) : Try[Vector[Code]] = { code.zipWithIndex.foldLeft(Success(Loops()): Try[Loops])((loops, c) => loops.flatMap(l => c._1 match { // NOTE: [ の位置をスタックに積む case '[' => Success(l.push(c._2)) // NOTE: ] が出たらスタックトップの位置と自分の位置を双方向リンクとして保存 case ']' => l.pop(c._2) case _ => Success(l) })).flatMap(loops => if (loops.isEmpty) { Success(code.zipWithIndex.map(c => Code(c._1, loops.open2Close.get(c._2), loops.close2Open.get(c._2))).toVector) } else { Failure(Error("loop overflow", loops.head)) }) }
  4. 実行の前に実行環境を作る - 必要なもの - 操作対象の機械 - メモリー(ヒープということにします) - ポインター(メモリーの1箇所を指します) -

    外部とのやりとり(副作用) - バイトの入力(ほんらい非同期) - バイトの出力(非同期であればなお良き) - 実行コードの管理 - 実行したコードの位置 - ほんらいならこの3つを分離して抽象化するのがきれいですが、今回はもやる感じ の構成になってしまいました…orz
  5. 状態をクラスで用意します - 機械・コード実行位置 - case class BFMachine(heap: Vector[Byte] = Vector(0),

    pos: Int = 0, ptr: Int = 0) - 当初の設計が甘く、両者を混在させて - しまったが、現実のノイマン型コンピューターの動作から考えるとおかしいわけではない - ただノイマン型なら、コードもこのクラスに含まれていなければならんね … - 入出力 - case class IO(in: Seq[Byte], out: Seq[Byte] = Seq.empty) { def get = if (in.isEmpty) (this, None) else (IO(in.tail, out), Some(in.head) def put(c: Byte) = IO(in, c +: out) } - とりあえずは同期で動かせるように単なるバイトの集合を用意
  6. コードを1ステップずつ実行します def exec1(codes: Vector[Code], state: State) : Try[State] = {

    val code = codes(state.machine.pos) // NOTE: 1命令ずつ実行する val newState = code.c match { case '>' => state.updated(state.machine.>) case '<' => state.machine.<.map(machine => State(machine, state.io, state.step + 1)) case '+' => state.updated(state.machine.+) case '-' => state.updated(state.machine.-) case '.' => val (machine, c) = state.machine.dot Success(State(machine, state.io.put(c), state.step + 1)) case ',' => val res = state.io.get //println(res) Success(res._2 match { case None => state.finish case Some(c) => State(state.machine.comma(c), res._1, state.step + 1) }) // NOTE: codel.close や code.open には Loops で解析した値が必ずある case '[' => state.updated(state.machine.open(code.close.get)) case ']' => state.updated(state.machine.close(code.open.get)) case _ => state.updated(state.machine.noop) } if (newState.isFailure || codes.lengthCompare(newState.get.machine.pos) > 0) { newState } else { Success(newState.get.finish) } }
  7. immutable なので、機械の状態を更新できません - 関数型言語では、状態を次の状態に変換していく手順を記述し、それを重ねていく ことで処理していきます - 先のコードは、 State のインスタンスを引数に取って、新たな State

    を返すよう になっています - これを連続適用すれば、最終結果は得られますし、mutable な変数は(ライブラ リーの中は別にしてw)いっさい使われていません - そして無限ループにならない限り、正常終了かエラー終了となって、コードの実行が 停止しなければなりません - この「実行の停止」をどう表現するのか…
  8. Scala での、なぞの無限ループからのブレイクの書き方 // NOTE: パース済みコードを実行 def exec(codes: Vector[Code], gets: Seq[Byte])

    : Try[Seq[Byte]] = { val init : Try[State] = Success(State(BFMachine(), IO(gets))) // NOTE: 無限ループ Iterator.continually(0) // NOTE: 左畳み込みをしつつ途中経過をぜんぶ吐き出す .scanLeft(init)((se, d) => se.flatMap(state => exec1(codes, state))) // NOTE: 実行中の途中経過は捨てる .dropWhile(res => res.isSuccess && !res.get.finished) // NOTE: 実行終了 or エラー時の先頭以外を捨てて実体を取り出す .take(1).toSeq.head // NOTE: 返したい IO.out は Seq なので出力と逆順のコレクションになっている .map(state => state.io.out.reverse) }
  9. おまけ:画面表示には Scurses を使いました - https://github.com/Tenchi2xh/Scurses/ - ncurses の Scala ラッパー

    - じつはシェルで stty を呼んでるので Windows だと動かない - 完成度いまいちなので contrubute しようかな…
  10. (未完成)非同期対応の茨の道 - Scala にはお手軽お気楽に非同期を扱う Future/Promise という仕組みがある - なお、JavaScript の promise

    がほぼ Scala の Future に近いという罠 - Future で実行する内容をくるんでおくと、「やがて成功して値が得られる」または 「失敗して例外をキャッチした」という「状態」のインスタンスが得られる - これに対して、「もし成功した場合は、その値を取り出して処理をする」ことを実行 し、さらにその結果を Future に入れることで、「最終的に成功するか例外をキャッ チするかのどちらかになる」という状態を、副作用なく記述することができる
  11. ただし、このコードでは、Futureは使えません… // NOTE: パース済みコードを実行 def exec(codes: Vector[Code], gets: Seq[Byte]) :

    Try[Seq[Byte]] = { val init : Try[State] = Success(State(BFMachine(), IO(gets))) // NOTE: 無限ループ Iterator.continually(0) // NOTE: 左畳み込みをしつつ途中経過をぜんぶ吐き出す .scanLeft(init)((se, d) => se.flatMap(state => exec1(codes, state))) // NOTE: 実行中の途中経過は捨てる .dropWhile(res => res.isSuccess && !res.get.finished) // NOTE: 実行終了 or エラー時の先頭以外を捨てて実体を取り出す .take(1).toSeq.head // NOTE: 返したい IO.out は Seq なので出力と逆順のコレクションになっている .map(state => state.io.out.reverse) }
  12. ただし、このコードでは、Futureは使えません… // NOTE: パース済みコードを実行 def exec(codes: Vector[Code], gets: Seq[Byte]) :

    Try[Seq[Byte]] = { val init : Try[State] = Success(State(BFMachine(), IO(gets))) // NOTE: 無限ループ Iterator.continually(0) // NOTE: 左畳み込みをしつつ途中経過をぜんぶ吐き出す .scanLeft(init)((se, d) => se.flatMap(state => exec1(codes, state))) // NOTE: 実行中の途中経過は捨てる .dropWhile(res => res.isSuccess && !res.get.finished) // NOTE: 実行終了 or エラー時の先頭以外を捨てて実体を取り出す .take(1).toSeq.head // NOTE: 返したい IO.out は Seq なので出力と逆順のコレクションになっている .map(state => state.io.out.reverse) }
  13. scanLeft までは Future で取り回せますが… // NOTE: パース済みコードを実行 def exec(codes: Vector[Code],

    gets: Seq[Byte]) : Try[Seq[Byte]] = { val init : Try[State] = Success(State(BFMachine(), IO(gets))) // NOTE: 無限ループ Iterator.continually(0) // NOTE: 左畳み込みをしつつ途中経過をぜんぶ吐き出す .scanLeft(init)((se, d) => se.flatMap(state => exec1(codes, state))) // NOTE: 実行中の途中経過は捨てる .dropWhile(res => res.isSuccess && !res.get.finished) // NOTE: 実行終了 or エラー時の先頭以外を捨てて実体を取り出す .take(1).toSeq.head // NOTE: 返したい IO.out は Seq なので出力と逆順のコレクションになっている .map(state => state.io.out.reverse) }
  14. 最終手段はいつだって再帰 def exec(codes: Vector[Code], gets: Seq[Byte]) : Future[Seq[Byte]] = {

    // NOTE: 結果が出るまで末尾再帰風で畳み込む(末尾再帰ではない) def result(state: Future[State[SeqIOStream]]) : Future[Seq[Byte]] = { exec1(codes, state).flatMap(state => if (state.finished) { Future.successful(state.io.out.reverse) } else { result(Future.successful(state)) } )} result(Future.successful(State(BFMachine(), SeqIOStream(gets, Seq.empty))))
  15. 最終手段はいつだって再帰 - 再帰関数に初期状態を渡して、次の状態を得る - その状態が例外でも完了でもない場合、次の状態を渡して再帰呼び出し - Scala では末尾再帰は(mutuable なカウンターを用いた)ループに最適化される が、このコードは末尾再帰ではない

    - 旧 Twitter 社製の独自 Future はこのコードで末尾再帰できるそうです … - よって最適化不能なので、BFコードが長いとスタックオーバーフローになりそう…( ;∀;) - 今のところ思いついていないが、実利用でもしこういうコードに当たったら、迷わず mutable var で逃げますね…(最悪それが可能なのがScala)
  16. このブランチの現状 - 入出力を同期にした現在の実装において、テストはすべてパスしています - 当初はほぼ同期版の実装のままで Future.find を使ってみたんですが、正常 終了後に JVM がメモリー不足で落ちました…www

    - find は単に「終了した結果で判定した正常終了のさいしょの Future を指すイテレーターを返す」 だけなので、 Iterator.continually からの scanLeft で無限に Future が作られ続ける ので、そりゃ落ちますわ …
  17. 今後の目標 1. 非同期入出力に対応し、入力を対話型にしてインタープリターとして完成させたい - Future 使ったのはこのためなので 2. State#finish がうまく動いていないので解決させたい 3.

    C++ バリの自己参照テンプレートを書いてしまったので、構造的部分型に直したい - case class SeqIOStream(in :Seq[Byte], out :Seq[Byte]) extends IOStream[SeqIOStream] 4. 末尾再帰を immutable なままで解決させたい 5. 画面表示をスクロール対応(画面の横幅を超えた場合にスクロールして見やすく表 示) 6. Scurses へのコントリビューション
  18. おまけ2:めくるめく難解プログラミング言語 - Lazy K - チューリング完全 - 3つの命令しかない - ハロワ

    - K(S(S(K(S))(S(K(K))(S(K(S))(S(K(S(I)))(K)))))(K(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K ))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S(K(S))(K))(S(S( 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