簡易スタック型VM(バイトコードインタプリタ)でのフィボナッチ数計算速度
今年はlisp系のプログラミング言語(及びその処理系)を作ってみようと考えていて、かつ(少なくとも)当面の間はスタック型VMを基盤として実装していくことになると思われるので、まずは単純なスタックマシンのバイトコードインタプリタで、どの程度の処理速度がでるのかを計測してみた。
命令一覧と実行サンプル
現状のVMが備える命令一覧*1。必要最小限。
下記、命令セットに関してはForthを少し参考にしている。スタックマシンの動作の詳細に関しては、特に特殊な点もないので説明は割愛。
| 命令 | コード値 | in-stack | out-stack | 意味 |
|---|---|---|---|---|
| int | 1 | n | バイトコード中の後続の四バイト(little-endian)を取り出し、int値を生成 | |
| add | 2 | n1 n2 | n3 | n1 + n2 |
| sub | 3 | n1 n2 | n3 | n1 - n2 |
| mul | 4 | n1 n2 | n3 | n1 * n2 |
| div | 5 | n1 n2 | n3 | n1 / n2 |
| mod | 6 | n1 n2 | n3 | n1 % n2 |
| eql | 7 | n1 n2 | b(1 or 0) | n1 == n2 |
| less | 8 | n1 n2 | b | n1 < n2 |
| dup | 9 | x | x x | スタックの先頭要素を複製 |
| drop | 10 | x | スタックの先頭要素を破棄 | |
| swap | 11 | x1 x2 | x2 x1 | スタックの先頭二つの要素を入れ替え |
| over | 12 | x1 x2 | x1 x2 x1 | スタックの二番目の要素を先頭に複製 |
| rot | 13 | x1 x2 x3 | x2 x3 x1 | スタックの先頭三つの要素をローテーション |
| rpush | 14 | x | スタック(データスタック)の先頭要素をリターンスタックの先頭に移す | |
| rpop | 15 | x | リターンスタックの先頭要素をスタックに移す | |
| rcopy | 16 | x | リターンスタックの先頭要素をスタックに複製 | |
| jump | 17 | n | 無条件分岐。nは分岐先のアドレス | |
| jump_if | 18 | b n | 条件分岐。bが新(非ゼロ)なら分岐する | |
| call | 19 | n | 関数呼び出し。リターンスタックにプログラムカウンタを保存後、無条件分岐 | |
| return | 20 | 関数からの復帰。リターンスタックからプログラムカウンタを取り出し、そこへ無条件分岐 |
末尾にソースコード全体を載せるが、バイトコードインタプリタの実行部は、バイトコードから上記命令に対応するコード値を取得し、命令を実行する、ということをひたすら繰り返すという単純なもの。
// C++ typedef unsigned char octet; /** * バイトコード実行用のクラス */ class executor { public: void execute(const char* filepath) { bytecode_stream in(filepath); // バイトコードストリームの終端に達するまでループ while(in.eos() == false) { octet opcode = in.read_octet(); // 命令コード読み出し op::call(opcode, in, env); // コードに対応する処理を実行 (envにはデータスタックとリターンスタックが保持されている) } } }; class op { public: // コードに対応する命令を実行 static void call(octet opcode, bytecode_stream& in, environment& env) { switch(opcode) { case 1: op_int(in, env); break; // int値構築 case 2: op_add(in, env); break; // + case 3: op_sub(in, env); break; // - case 4: op_mul(in, env); break; // * case 5: op_div(in, env); break; // / case 6: op_mod(in, env); break; // % case 7: op_eql(in, env); break; // == ... 省略 ... default: assert(false); } } }
VM部はC++で記述しているが、VMが解釈可能なバイトコード列を生成するためのアセンブラ(コンパイラ)はcommon lispで作成。
;; common lisp ;; 実行例 (load "pvm-compile") ;; 加算を行うバイトコード列を'add.bc'ファイルに出力する ;; - キーワードは命令を表す (pvmc:compile-to-file "add.bc" '(10 20 :add)) ; 10 + 20 ;; 条件分岐を行うバイトコード列を'jump.bc'ファイルに出力する ;; ;; シンボルはアドレス参照用のラベルを表す ;; (:addr シンボル)形式で参照可能 ;; ※ アドレスはコンパイル時に解決される (pvmc:compile-to-file "jump.bc" '(10 10 :eql ; n1 == n2 ? (:addr then) :jump-if ; 等しいなら then に移動 else 1 2 ; else: スタックに 1と2 を積む (:addr end) :jump then 3 4 ; then: スタックに 3と4 を積む end)) ;; 上の例では以下のようなバイト列が生成される (pvmc::compile-to-bytecodes '(10 10 :eql (:addr then) :jump-if else 1 2 (:addr end) :jump then 3 4 end)) => #(1 10 0 0 0 1 10 0 0 0 7 1 33 0 0 0 18 1 1 0 0 0 1 2 0 0 0 1 43 0 0 0 17 1 3 0 0 0 1 4 0 0 0)
生成したバイトコードはpvmコマンドで実行可能。
# pvmコマンド作成 $ g++ -O2 -o pvm pvm.cc # add.bc $ ./pvm add.bc [data stack] # 実行後のデータスタックとリターンスタックの中身が出力される 0# 30 # 10 + 20 [return stack] # jump.bc $ ./pvm jump.bc [data stack] 0# 4 # then部が実行された 1# 3 [return stack]
実行速度
上のVM上でのフィボナッチ数の計算に要した時間。
以下は35のフィボナッチ数計算用のコード。
(pvmc:compile-to-file "fib.bc" '( 35 ; fib(35) (:addr fib-beg) :call ; fib(25) (:addr finish) :jump fib-beg :dup 2 :less (:addr fib-end) :jump-if ; if(n < 2) :dup 2 :sub (:addr fib-beg) :call ; fib(n - 2) :swap 1 :sub (:addr fib-beg) :call ; fib(n - 1) :add fib-end :return finish)) #| 実行結果: $ time ./pvm fib.bc [data stack] 0# 9227465 [return stack] real 0m3.605s user 0m3.600s sys 0m0.000s |#
他言語との比較。
| 言語 | 所要時間(最適化オプションなし) | 所要時間(最適化オプションあり) |
|---|---|---|
| gcc-4.6.1 | 0.112s | 0.056s |
| sbcl-1.0.54 | 0.320s | 0.110s |
| pvm | 3.600s | |
| ruby1.9.1 | 2.816s | |
| ruby1.8.7 | 14.497s |
現状は本当に単純なインタプリタなので仕方がないとはいえ、Ruby(1.9)よりも遅い・・・。
ちなみに各言語用のソースコードは以下の通り。
// C++ // ファイル名: fib.cc // コンパイル: g++ -O2 -o fib fib.cc // 実行: time fib 35 #include <iostream> #include <cstdlib> int fib(int n) { if(n < 2) { return n; } return fib(n-2) + fib(n-1); } int main(int argc, char** argv) { std::cout << fib(atoi(argv[1])) << std::endl; return 0; }
;; sbcl (defun fib (n) (declare (optimize (speed 3) (safety 0) (debug 0)) (fixnum n)) (if (< n 2) n (the fixnum (+ (fib (- n 2)) (fib (- n 1)))))) ;; 実行 (time (fib 35))
# ruby # ファイル名: fib.rb # 実行: time fib.rb 35 def fib (n) return n if n < 2 fib(n-2) + fib(n-1) end p fib(ARGV[0].to_i)
ソースコード
VM及びコンパイラ用のソースコード。
それぞれ180行、80行程度。
// ファイル名: pvm.hh /** * バイトコードインタプリタ */ #ifndef PVM_HH #define PVM_HH #include <iostream> #include <fstream> #include <cassert> #include <vector> #include <algorithm> namespace pvm { typedef unsigned char octet; typedef std::vector<int> stack_t; /** * バイトコード読み込みストリーム */ class bytecode_stream { public: bytecode_stream(const char* filepath) : bytecodes(NULL), position(0) { std::ifstream in(filepath); assert(in); length = in.rdbuf()->in_avail(); bytecodes = new octet[length]; in.read((char*)bytecodes, length); } ~bytecode_stream() { delete [] bytecodes; } bool eos() const { return position >= length; } octet read_octet () { return bytecodes[position++]; } // sizeof(int) == 4 と仮定 int read_int() { int n = *(int*)(bytecodes + position); position += 4; return n; } // program counter unsigned pc() const { return position; } unsigned& pc() { return position; } private: octet* bytecodes; unsigned length; unsigned position; }; /** * データスタックとリターンスタック */ class environment { public: stack_t& dstack() { return data_stack; } stack_t& rstack() { return return_stack; } const stack_t& dstack() const { return data_stack; } const stack_t& rstack() const { return return_stack; } private: stack_t data_stack; stack_t return_stack; }; /** * 各種操作(命令) */ class op { public: static void call(octet opcode, bytecode_stream& in, environment& env) { switch(opcode) { case 1: op_int(in, env); break; // int値構築 case 2: op_add(in, env); break; // + case 3: op_sub(in, env); break; // - case 4: op_mul(in, env); break; // * case 5: op_div(in, env); break; // / case 6: op_mod(in, env); break; // % case 7: op_eql(in, env); break; // == case 8: op_less(in, env); break;// < case 9: op_dup(in, env); break; // データスタックの先頭要素を複製 case 10: op_drop(in, env); break; // データスタックの先頭要素を破棄 case 11: op_swap(in, env); break; // データスタックの最初の二つの要素を入れ替え case 12: op_over(in, env); break; // データスタックの二番目の要素を先頭にコピーする case 13: op_rot(in, env); break; // データスタックの先頭三つの要素をローテーションする case 14: op_rpush(in, env); break; // データスタックの先頭要素を取り出しリターンスタックに追加する case 15: op_rpop(in, env); break; // リターンスタックの先頭要素を取り出しデータスタックに追加する case 16: op_rcopy(in, env); break; // リターンスタックの先頭要素をデータすタックに追加する case 17: op_jump(in, env); break; // 無条件分岐 case 18: op_jump_if(in, env); break; // 条件分岐 case 19: op_call(in, env); break; // 関数呼び出し case 20: op_return(in, env); break; // 関数から復帰 default: assert(false); } } private: typedef bytecode_stream bcs; typedef environment env; #define DPUSH(x) e.dstack().push_back(x) #define DPOP pop_back(e.dstack()) #define DNTH(nth) e.dstack()[e.dstack().size()-1-nth] #define RPUSH(x) e.rstack().push_back(x) #define RPOP pop_back(e.rstack()) #define RNTH(nth) e.rstack()[e.rstack().size()-1-nth] static void op_int(bcs& in, env& e) { DPUSH(in.read_int()); } static void op_add(bcs& in, env& e) { DPUSH(DPOP + DPOP); } static void op_sub(bcs& in, env& e) { int n = DPOP; DPUSH(DPOP - n); } static void op_mul(bcs& in, env& e) { DPUSH(DPOP * DPOP); } static void op_div(bcs& in, env& e) { int n = DPOP; DPUSH(DPOP / n); } static void op_mod(bcs& in, env& e) { int n = DPOP; DPUSH(DPOP % n); } static void op_eql(bcs& in, env& e) { DPUSH(DPOP == DPOP); } static void op_less(bcs& in, env& e) { DPUSH(DPOP > DPOP); } static void op_dup(bcs& in, env& e) { DPUSH(DNTH(0)); } static void op_drop(bcs& in, env& e) { DPOP; } static void op_swap(bcs& in, env& e) { std::swap(DNTH(0), DNTH(1)); } static void op_over(bcs& in, env& e) { DPUSH(DNTH(1)); } static void op_rot(bcs& in, env& e) { std::swap(DNTH(2), DNTH(0)); std::swap(DNTH(1), DNTH(2)); } static void op_rpush(bcs& in, env& e) { RPUSH(DPOP); } static void op_rpop(bcs& in, env& e) { DPUSH(RPOP); } static void op_rcopy(bcs& in, env& e) { DPUSH(RNTH(0)); } static void op_jump(bcs& in, env& e) { in.pc() = DPOP;} static void op_jump_if(bcs& in, env& e) { int p = DPOP; if(DPOP){ in.pc() = p;} } static void op_call(bcs& in, env& e) { RPUSH(in.pc()); in.pc() = DPOP; } static void op_return(bcs& in, env& e) { in.pc() = RPOP; } #undef DPUSH #undef DPOP #undef DNTH #undef RPUSH #undef RPOP #undef RNTH private: static int pop_back(stack_t& stack) { int x = stack.back(); stack.pop_back(); return x; } }; /** * バイトコード実行 */ class executor { public: void execute(const char* filepath) { bytecode_stream in(filepath); while(in.eos() == false) { octet opcode = in.read_octet(); op::call(opcode, in, env); } } const environment& get_env() const { return env; } private: environment env; }; } #endif
// ファイル名: pvm.cc // バイトコード実行用コマンド #include "pvm.hh" #include <iostream> void show(const char* name, const pvm::stack_t& stack) { std::cout << "[" << name << "]" << std::endl; for(int i = stack.size()-1; i >= 0; i--) { std::cout << " " << (stack.size()-1-i) << "# " << stack[i] << std::endl; } std::cout << std::endl; } int main(int argc, char** argv) { if(argc != 2) { std::cerr << "Usage: pvm BYTECODE_FILEPATH" << std::endl; return 1; } pvm::executor vm; vm.execute(argv[1]); const pvm::environment& rlt = vm.get_env(); show("data stack", rlt.dstack()); show("return stack", rlt.rstack()); return 0; }
;;; ファイル名: pvm-compile.lisp ;;; S式をVM用のバイトコードにコンパイル(アセンブル)する (defpackage pvm-compile (:use :common-lisp) (:nicknames :pvmc) (:export compile-to-file)) (in-package :pvm-compile) ;; 利用可能な操作(命令)のリスト (defparameter *op-list* '((1 :int) (2 :add) (3 :sub) (4 :mul) (5 :div) (6 :mod) (7 :eql) (8 :less) (9 :dup) (10 :drop) (11 :swap) (12 :over) (13 :rot) (14 :rpush) (15 :rpop) (16 :rcopy) (17 :jump) (18 :jump-if) (19 :call) (20 :return))) ;; 数値をリトルエンディアンのバイト列に変換する ;; n -> '(b1 b2 b3 b4) (defun int-to-bytes (n) (loop FOR i FROM 0 BELOW 4 COLLECT (ldb (byte 8 (* i 8)) n))) ;; 操作名に対するコード値を取得する (defun opcode (op) (assert #1=(find op *op-list* :key #'second)) (first #1#)) ;; コンパイル (defun compile-to-bytecodes (codes) (loop WITH unresolves = '() ; 未解決のアドレス参照 WITH labels = '() ; ラベルとアドレスのマッピング FOR code IN codes FOR pos = (length tmps) APPEND (etypecase code (integer `(,(opcode :int) ,@(int-to-bytes code))) ; 整数値構築 (keyword (list (opcode code))) ; 一般的な操作 (symbol (push `(,code ,pos) labels) ; アドレス(PC)参照用のラベル '()) (cons (ecase (first code) ; アドレス参照 (:addr (push `(,(second code) ,(1+ pos)) unresolves) `(,(opcode :int) 0 0 0 0))))) ; この時点では実際のアドレスが不明なので 0 を設定しておく INTO tmps FINALLY (let ((bytecodes (coerce tmps 'vector))) ;; アドレス解決 (loop FOR (label offset) IN unresolves FOR label-addr = (second (assoc label labels)) DO (setf (subseq bytecodes offset (+ offset 4)) (int-to-bytes label-addr))) (return bytecodes)))) ;; コンパイルして結果をファイルに出力する (defun compile-to-file (filepath assembly-codes) (let ((bytecodes (compile-to-bytecodes assembly-codes))) (with-open-file (out filepath :direction :output :if-exists :supersede :element-type '(unsigned-byte 8)) (write-sequence bytecodes out))) t)
*1:大別すると整数処理系、データスタック操作系、リターンスタック操作系、分岐系の四つ
