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Swiftのコンパイラを改造して独自構文を追加する

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去る 12 月 3 日、ついに Swift がオープンソースになりました!!

僕は、今度 try! Swift で Swift について話す予定なんですが、 Swift がオープンソースになったからには、コンパイラの中身まで見て証拠を掴んだ上で話さなければならないこともあります。

そんなわけで早速コンパイラのソースを読もうと思ったんですが、目的なく漫然と読むのも辛いです。そこで、勉強がてら Swift のコンパイラを改造して前からほしいと思っていた構文を追加してみました( リポジトリはこちら )。

改造の内容は次の二つです。

  • 標準ライブラリに Either<L, R> という型を追加
  • Either<L, R> のシンタックスシュガー L|R を追加

これによって、次のようなコードが書けるようになりました。

// Int|String は Either<Int, String> のシンタックスシュガー
let e: Int|String = .Left(42)

switch e {
case let .Left(left):
    print("left: \(left)")
case let.Right(right):
    print("right: \(right)")
}

これは、 "Swift 3.0で追加されそうなEitherについて" で、 Either について言語レベルでこんなサポートがあればいいんじゃないかと述べたものの一部を、自分で実装してみたものになります。

この投稿を読めば、次の二つのことを学べます。

  • Swift の標準ライブラリを改造して独自の型や関数、メソッドを追加する方法
  • Swift のコンパイラを改造して独自構文を追加する方法

前者に関してはとても簡単なので完璧にわかると思います。後者については、とてもこの投稿を読んだからといって完璧に把握することはできません。どんな構文を追加するかにもよりますし、コンパイラの中身を隅々まで理解するのはほぼ不可能です。とはいえ、何の手がかりもないところから構文を拡張するのはなかなか大変なので、どういう風にやればいいかという雰囲気が伝わればと思います。

標準ライブラリに Either という型を追加

これは Swift の範囲内なので話は簡単です。

標準ライブラリのコードは apple/swift の stdlib/public/core に入っています。 Optional.swift などもここにあります。そこに Either.swift を作って追加しましょう。

中身は、とりあえず今回は Either という型さえあればいいので、便利メソッドなどは作らず↓だけとします。

public enum Either<L, R> {
    case Left(L)
    case Right(R)
}

これだけで OK と言いたいところですが、 ファイルを追加するだけではビルド対象となりません。 stdlib/public/core/CMakeLists.txt に Either.swift を追加してやる必要があります。

ファイル名がアルファベット順で並んでいるので↓のように追加しました。

...
ContiguousArrayBuffer.swift
Either.swift
EmptyCollection.swift
...

これで、標準ライブラリに Either が追加されます。何も import しなくても次のようなコードが実行可能です。

let e: Either<Int, String> = .Left(42)

switch e {
case let .Left(left):
    print("left: \(left)")
case let.Right(right):
    print("right: \(right)")
}

結果は次の通りです。

left: 42

Either<L, R> のシンタックスシュガー L|R を追加

さて、難しいのはここからです。

Swift において、 Optional を使ってエラーを扱うととても便利です。しかし Optional はエラー情報を保持できないのが辛いので、代わりに Either使いたくなります。ですが、 Optional には Int? のようなシンタックスシュガーや Optional Chaining などの便利な構文があるのに対し、 Either は自作した型なので何のサポートもありません。 Optional の代わりに Either を使うとコード中で使いまくることになるので、そのような構文がないのは辛いところです。

そこで、 Foo?Optional<Foo> を表すように、コンパイラの中のパーサを改造して Foo|Bar と書けば Either<Foo, Bar> を表すようにしてしまいましょう。この構文は TypeScript や Ceylon の Union type に似せたものです。

コンパイラ関連のコードは lib ディレクトリ下にあります(ヘッダーファイルは include/swift )。 lib ディレクトリはさらにいくつかのサブディレクトリに分かれています。例えば、次のような感じです。

  • Parse: 字句解析、構文解析関連
  • AST: 抽象構文木関連
  • Sema: 意味解析関連
  • SIL: Swift の中間言語( Swift Intermediate language )関連

今回関連するのは Parse と、 Parse の中のコードを変更する過程で AST の中のクラスを使うくらいです。

方針

今回は、コンパイラの構文解析を改造して動作を変更できるか試すのと、その過程でソースを読むことで全体構造をおぼろげにもつかむことが目的なので、厳密に正しい実装は目指しません。

まず、 Foo|Bar を正確に写しとった抽象構文木を作ろうとすると、 Either の構文に対応したノードを抽象構文木にも加えるなど、 AST ディレクトリのソースにも色々と修正を加えなければなりません。今回は、 Foo|Bar をパースすると Either<Foo, Bar> の抽象構文木を吐き出すようにして誤魔化します。

また、本来は (Foo|Bar)|BazEither<Either<Foo, Bar>, Baz> と解釈されなければならないですが、括弧を考え始めるとタプルと競合するなどとても複雑になってしまうので、今回は括弧を扱いません。

最後に、 Either では Optional のように let a: Optional<Int> = 42 のような暗黙の型変換もしくはサブタイピングを実現したいところですが、これも今回は扱いません。あくまで、型として Foo|Bar のように書くと Either<Foo, Bar> と解釈されることだけを目指します。

パーサの修正

今回やるのは型のパースです。 lib/Parse ディレクトリの中を漁ってると ParseType.cpp というまさにドンピシャっぽいファイルがありました。

EitherOptional に近いので、ファイルを開いて "Optional" というキーワードで検索してみます。

parseTypeSimpleの変更

関連しそうなコードを調べると、 parseTypeSimple という関数が大元になってそうです。

ParserResult<TypeRepr> Parser::parseTypeSimple(Diag<> MessageID,
                                                 bool HandleCodeCompletion) {
    ...
      if (isOptionalToken(Tok)) {
        ty = parseTypeOptional(ty.get());
        continue;
      }
      if (isImplicitlyUnwrappedOptionalToken(Tok)) {
        ty = parseTypeImplicitlyUnwrappedOptional(ty.get());
        continue;
      }

下のように、 Either 用のコードも追加しましょう。

ParserResult<TypeRepr> Parser::parseTypeSimple(Diag<> MessageID,
                                                 bool HandleCodeCompletion) {
    ...
      if (isOptionalToken(Tok)) {
        ty = parseTypeOptional(ty.get());
        continue;
      }
      if (isImplicitlyUnwrappedOptionalToken(Tok)) {
        ty = parseTypeImplicitlyUnwrappedOptional(ty.get());
        continue;
      }
      if (isEitherToken(Tok)) {
        ty = parseTypeEither(ty.get());
        continue;
      }

これで、 isEitherTokenparseTypeEither の実装が必要となりました。それぞれ、 isOptionalTokenparseTypeOptional を真似して実装しましょう。

isEitherTokenの実装

isOptionalToken の実装は次のようになっています。

bool Parser::isOptionalToken(const Token &T) const {
  // A postfix '?' by itself is obviously optional.
  if (T.is(tok::question_postfix))
    return true;

  // A postfix or bound infix operator token that begins with '?' can be
  // optional too. We'll munch off the '?', so long as it is left-bound with
  // the type (i.e., parsed as a postfix or unspaced binary operator).
  if ((T.is(tok::oper_postfix) || T.is(tok::oper_binary_unspaced)) &&
      T.getText().startswith("?"))
    return true;
  return false;
}

どうやら、トークンの種類と文字列が想定通りかチェックしているようです。 tok は include/swift/Parse/Token.h に次のように宣言されています。

enum class tok {
  unknown = 0,
  eof,
  code_complete,
  identifier,
  oper_binary_unspaced,   // "x+y"
  oper_binary_spaced,     // "x + y"
  oper_postfix,
  oper_prefix,
  dollarident,
  integer_literal,
  floating_literal,
  string_literal,
  sil_local_name,      // %42 in SIL mode.
  pound_if,
  pound_else,
  pound_elseif,
  pound_endif,
  pound_line,
  pound_available,
  comment,

#define KEYWORD(X) kw_ ## X,
#define PUNCTUATOR(X, Y) X,
#include "swift/Parse/Tokens.def"

  NUM_TOKENS
};

question_postfix が見つかりませんが、 include された Tokens.def の中にあります。

さて、今 Foo|Bar のような型をパースできるようにしたいので、該当しそうなものは二項演算を扱っていそうな次の二つです。

oper_binary_unspaced,   // "x+y"
oper_binary_spaced,     // "x + y"

Int?Int ? のように書くことはできないので、 Either もそれをならって Foo | Bar のような表記はできないことにしましょう。そうすると oper_binary_unspaced が残ります。

isOptionalToken を真似て isEitherToken を実装すると次のような感じになります。

bool Parser::isEitherToken(const Token &T) const {
  if (T.is(tok::oper_binary_unspaced) && T.getText().startswith("|"))
    return true;
  return false;
}

parseTypeEitherの実装

parseTypeEither を実装するには、同じく parseTypeOptional を参考にしましょう。

ParserResult<OptionalTypeRepr> Parser::parseTypeOptional(TypeRepr *base) {
  SourceLoc questionLoc = consumeOptionalToken();
  return makeParserResult(new (Context) OptionalTypeRepr(base, questionLoc));
}

どうやら、トークンを読みだして位置を取得し、それを元に抽象構文木のノードを作っているようです。 grep して調べると OptionalTypeRepr は AST の中で宣言されているクラスです。

ここでは、方針で決めた通り EitherTypeRepr を実装するのではなく、ジェネリクスの構文木に置き換えてしまうことで対処します。

AST の中を探していると、 GenericIdentTypeRepr というそれっぽいクラスが見つかりました。

GenericIdentTypeRepr のコンストラクタの使い方は、ジェネリクスをパースしてる箇所を真似しましょう。

SourceLoc LAngle, RAngle;
 SmallVector<TypeRepr*, 8> GenericArgs;
 if (startsWithLess(Tok)) {
   if (parseGenericArguments(GenericArgs, LAngle, RAngle))
     return nullptr;
 }
 EndLoc = Loc;

 ComponentIdentTypeRepr *CompT;
 if (!GenericArgs.empty())
   CompT = new (Context) GenericIdentTypeRepr(Loc, Name,
                                        Context.AllocateCopy(GenericArgs),
                                        SourceRange(LAngle, RAngle));

コンストラクタの引数には次のものを渡しているようです。

  • 第一引数: トークンの位置
  • 第二引数: 型の名前(今回は Either にしたい)
  • 第三引数: 型パラメータ
  • 第四引数: ジェネリクスの < から > までの位置の範囲

エラーメッセージがおかしくなるかもしれませんが、第一引数にはとりあえず | の位置を渡しておきましょう。

// 第一引数に渡す値
SourceLoc verticalLoc = consumeEitherToken();

第二引数は "Either" を渡せば良さそうですが、引数の型が Identifier です。しかも、 Identifier のコンストラクタは隠蔽されてて、直接作成することができないようです。無理やり公開して呼んでみましたが、構文木のコンテキストにない文字列だったためエラーになってしまいました。

Identifier のコンストラクタをよく見ると、コメントで次のように書いてありました。

class Identifier {
  ...

  /// Constructor, only accessible by ASTContext, which handles the uniquing.
  explicit Identifier(const char *Ptr) : Pointer(Ptr) {}

どうやら ASTContext を使えば良いようです。 ASTContext のメソッドを漁ると、 getIdentifier という、コンテキストに文字列を登録して Identifier を返してくれるメソッドがありました。これを使いましょう。

元に戻って ParseType.cpp の中を検索すると、 Context.getIdentifier("...") のような形で使っている箇所を発見しました。多分 ContextParser のメンバ変数なのでしょう。これを真似て次のようにすれば良いでしょう。

// 第二引数に渡す値
Context.getIdentifier("Either")

第三引数にはジェネリクスの型パラメータを渡さなければなりません。ジェネリックな型のパースでは Context.AllocateCopy(GenericArgs) と書かれていました。領域を確保し、 GenericArgs のコピーを生成しているようです。

この GenericArgsSmallVector<TypeRepr*, 8> GenericArgs; と宣言されています。今、 Either では型パラメータは二つあればいいので、おそらく次のようにすれば良さそうです。

SmallVector<TypeRepr*, 2> GenericArgs;

SmallVector の使い方がわかりませんが、 grep すると push_back メソッドで要素を追加できることがわかりました。

今、 Foo|BarFooBar を追加したいわけです。 parseTypeEitherparseTypeOptional 同様に引数で TypeRepr * を受けています。おそらく parseTypeOptional が受けているのは Foo? のときの Foo でしょう。そうすると、 parseTypeEither では GenericArgs にこれを追加してやれば良さそうです。

SmallVector<TypeRepr*, 2> GenericArgs;
GenericArgs.push_back(base);

Foo|BarBar はどうすればいいでしょう?最初に SourceLoc verticalLoc = consumeEitherToken(); でトークンを消費したので、名前からして次に parseTypeXxx を呼び出すと | の次からパースしてくれそうです。今、 Foo|BarBar の部分にはどんな型も来ることができるので、特定の parseTypeXxx ではなく最も汎用な関数を使いたいです。探すと parseType がありました。これを使いましょう。

parseType の戻り値は ParserResult で包まれているので、中身の TypeRepr を取り出す必要があります。これも、適当に検索したらやり方が出てきました。

SmallVector<TypeRepr*, 2> GenericArgs;
GenericArgs.push_back(base);
GenericArgs.push_back(parseType().get());

// 第三引数に渡す値
Context.AllocateCopy(GenericArgs)

さて、あとは第四引数だけです。これはジェネリクスの <> の位置でしたが、重要ではなさそうなので今は | の位置を渡しておきます。

// 第四引数に渡す値
SourceRange(verticalLoc, verticalLoc)

consumeOptionalToken に対応した consumeEitherToken は後で作るとして、これまでをまとめると parseTypeEither は次のように実装できます。

ParserResult<GenericIdentTypeRepr> Parser::parseTypeEither(TypeRepr *base) {
  SourceLoc verticalLoc = consumeEitherToken();
  SmallVector<TypeRepr*, 2> GenericArgs;
  GenericArgs.push_back(base);
  GenericArgs.push_back(parseType().get());
  return makeParserResult(new (Context) GenericIdentTypeRepr(verticalLoc,
                                          Context.getIdentifier("Either"),
                                          Context.AllocateCopy(GenericArgs),
                                          SourceRange(verticalLoc, verticalLoc)));
}

consumeEitherTokenの実装

consumeOptionalToken は次のようになっています。

SourceLoc Parser::consumeOptionalToken() {
  assert(isOptionalToken(Tok) && "not a '?' token?!");
  return consumeStartingCharacterOfCurrentToken();
}

consumeEitherToken を作るのは真似すれば簡単そうです。

SourceLoc Parser::consumeEitherToken() {
  assert(isEitherToken(Tok) && "not a '|' token?!");
  return consumeStartingCharacterOfCurrentToken();
}

ビルドと実行

さて、プログラムの修正が終わったのでビルドして実行してみましょう。

apple/swift のビルドと実行には↓の投稿が役に立ちました。

ビルドができたら実行してみましょう。次のような either.swift というファイルを作ります。

let e: Int|String = .Left(42)

switch e {
case let .Left(left):
    print("left: \(left)")
case let.Right(right):
    print("right: \(right)")
}

実行結果は次の通りです。

left: 42

独自の構文 Int|String がちゃんと動きましたね!!

まとめ

Swift のコンパイラを改造して独自の構文を追加する方法を説明しました。今回は構文解析を修正して新しいシンタックスシュガーを追加しました。

実際に自分でコンパイラを改造することは少ないかもしれませんが、自分で実装してみることで見えてくることもあるはずです。 Swift がオープンソース化されて、これから Swift 3.0 をどんなものにすべきかみんなで話し合おうということになっているので、 Swift はこうあるべきだ、ここが気に入らない、と思うところのある人は、議論を深めるためにまず自分で実装してみるといいかもしれません。(間違っても自分で改造したものをいきなりプルリクで送りつけてはいけません。ちゃんとコミュニティの指針に沿って行動しましょう。)

koher
Swift は他の多くの言語と異なり値型中心の言語です。そんな Swift を学ぶ上で重要なポイントをまとめたオンライン書籍 "Heart of Swift" ( https://heart-of-swift.github.io ) を書きました。
https://heart-of-swift.github.io
qoncept
リアルタイム画像認識を専門にした会社です。近年はスポーツにおける認識技術の応用に力を入れています。
https://qoncept.co.jp/
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