先月のRubyConfのLTでA PoC-ish Trick: LLVM IR Generation with Rubyという題で発表してきた小ネタです。
TL;DR
- RubyのコードをJuliaに変換するJulializerというTranspilerを作った
- Juliaでは
code_llvmやcode_native等の組み込み関数でLLVM IRやアセンブリコードを簡単に吐き出せる - 1と2から、Rubyのコードを書くとLLVM IRやアセンブリコードを簡単に吐き出せる
Disclaimer
- JulializerはFixnum, Floatなどごく一部のClassのみサポートしているに過ぎないので、Rubyの機能のごくごく一部しか変換できません
Demo
最も単純な例として、Rubyの2+3（整数同士の加算）というプログラムを変換してみます。LLVM IRの結果として作成されている関数julia_+_21483の引数として、i64という整数型の引数が取られていることに着目してください。
bash-3.2# echo "2+3" | julializer # Ruby->Julia
2+3;
bash-3.2# echo "2+3" | julializer | sed 's/^/@code_llvm /' | julia # Ruby->Julia->LLVM IR
define i64 @"julia_+_21483"(i64, i64) {
top:
%2 = add i64 %1, %0
ret i64 %2
}
次にRubyで2.3+3（浮動小数点数と整数の加算）と表現されるプログラムを変換してみると、以下のようにJulia->LLVM IRの段階で型推論が効いてjulia_+_21484の引数として(double, i64)のように浮動小数点型が宣言されていることが確認できます。
bash-3.2# echo "2.3+3" | julializer # Ruby->Julia
2.3+3;
bash-3.2# echo "2.3+3" | julializer | sed 's/^/@code_llvm /' | julia # Ruby->Julia->LLVM IR
define double @"julia_+_21484"(double, i64) {
top:
%2 = sitofp i64 %1 to double
%3 = fadd double %0, %2
ret double %3
}
これを使って、for文を使ったごく単純な算術演算プログラムであれば以下のようにRubyからJuliaを経由してLLVMの表現を作ることができます。以下は、LLVM IRの替わりにアセンブリコードの出力をしてみた例です。
bash-3.2# echo "
> def loop(list)
> for i in 0.5.to_i..list.size-1
> list[i] = (i-list.size/2).abs
> end
> end
> " | julializer # Ruby->Julia
function loop(list);for i::Int64 = trunc(Int64,parse(string(0.5))):size(list)[1]-1;list[i+1]=abs((i-size(list)[1]/2));;end;;;end;;
bash-3.2# echo "
> def loop(list)
> for i in 0.5.to_i..list.size-1
> list[i] = (i-list.size/2).abs
> end
> end
> " | julializer | sed 's/$/code_native(loop, (Array{Int64,1},))/' | julia # Ruby->Julia->Machine Code
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
Filename: none
Source line: 1
pushq %rbp
movq %rsp, %rbp
pushq %r15
pushq %r14
pushq %r13
pushq %r12
pushq %rbx
subq $88, %rsp
movq %rdi, %r15
Source line: 1
movq %r15, -120(%rbp)
movq $14, -112(%rbp)
movabsq $jl_pgcstack, %rax
movq (%rax), %rcx
movq %rcx, -104(%rbp)
leaq -112(%rbp), %rcx
movq %rcx, (%rax)
movq $0, -96(%rbp)
movq $0, -88(%rbp)
movq $0, -80(%rbp)
leaq -56(%rbp), %rbx
Source line: 1
movabsq $print_to_string, %rax
movabsq $4585538608, %rcx ## imm = 0x11151C430
movabsq $4554689512, %rdx ## imm = 0x10F7B0BE8
xorpd %xmm0, %xmm0
Source line: 1
movq $0, -72(%rbp)
movq $0, -64(%rbp)
movupd %xmm0, -56(%rbp)
Source line: 1
movq (%rdx), %rdx
movq %rdx, -64(%rbp)
movq %rcx, -56(%rbp)
movabsq $4574850160, %rdi ## imm = 0x110AEAC70
movq %rbx, %rsi
movl $1, %edx
callq *%rax
movabsq $jl_apply_generic, %r14
movq %rax, -56(%rbp)
movabsq $4582578128, %rdi ## imm = 0x1112497D0
movq %rbx, %rsi
movl $1, %edx
callq *%r14
Source line: 1
leaq -64(%rbp), %rbx
Source line: 1
movq %rax, -56(%rbp)
movabsq $4578677360, %rdi ## imm = 0x110E91270
movq %rbx, %rsi
movl $2, %edx
callq *%r14
movabsq $jl_box_int64, %rcx
movq %rax, -88(%rbp)
movq 24(%r15), %rdi
movq %rbx, %r15
movq %rax, -64(%rbp)
decq %rdi
callq *%rcx
movq %rax, -56(%rbp)
movabsq $4573878480, %rdi ## imm = 0x1109FD8D0
movq %r15, %rsi
movl $2, %edx
callq *%r14
movq %rax, %rbx
movq %rbx, -80(%rbp)
movq %rbx, -64(%rbp)
movabsq $4590321552, %rdi ## imm = 0x1119ABF90
movq %r15, %rsi
movl $1, %edx
callq *%r14
movq %rax, -96(%rbp)
movq %rbx, -64(%rbp)
movq -96(%rbp), %rax
movq %rax, -56(%rbp)
movabsq $4590048656, %rdi ## imm = 0x111969590
movq %r15, %rsi
movl $2, %edx
callq *%r14
movq %rax, -64(%rbp)
movabsq $4576747568, %rdi ## imm = 0x110CBA030
movq %r15, %rsi
movl $1, %edx
callq *%r14
movq -8(%rax), %rcx
shrq $4, %rcx
cmpq $284661857, %rcx ## imm = 0x10F79861
jne L944
movabsq $jl_false, %rcx
cmpq (%rcx), %rax
je L887
movabsq $jl_apply_generic, %r14
movabsq $13161910880, %rax ## imm = 0x31082D260
movsd (%rax), %xmm0
movsd %xmm0, -128(%rbp)
movabsq $jl_f_get_field, %r12
L462: movq %rbx, -64(%rbp)
movq %rbx, %r13
movq -96(%rbp), %rax
movq %rax, -56(%rbp)
movabsq $4583657840, %rdi ## imm = 0x111351170
movq %r15, %rsi
movl $2, %edx
callq *%r14
movq %rax, %rbx
movq %rbx, -72(%rbp)
movabsq $4554689512, %rax ## imm = 0x10F7B0BE8
movq (%rax), %rax
movq %rax, -64(%rbp)
movq %rbx, -56(%rbp)
movabsq $4554711168, %rax ## imm = 0x10F7B6080
movq %rax, -48(%rbp)
xorl %edi, %edi
Source line: 1
leaq -56(%rbp), %rsi
movl $2, %edx
Source line: 1
callq *%r12
movq %rax, -56(%rbp)
movabsq $4591208368, %rdi ## imm = 0x111A847B0
movq %r15, %rsi
movl $2, %edx
callq *%r14
movq -8(%rax), %rcx
shrq $4, %rcx
cmpq $284661845, %rcx ## imm = 0x10F79855
jne L989
movq %r15, %rsi
movq (%rax), %r15
movq %rbx, -64(%rbp)
movabsq $4554711216, %rax ## imm = 0x10F7B60B0
movq %rax, -56(%rbp)
xorl %edi, %edi
movq %rsi, %r14
movl $2, %edx
callq *%r12
movq %rax, -96(%rbp)
movq -120(%rbp), %rdi
cmpq 8(%rdi), %r15
jae L1034
cvtsi2sdq 24(%rdi), %xmm0
divsd -128(%rbp), %xmm0
cvtsi2sdq %r15, %xmm1
addsd %xmm0, %xmm1
movd %xmm1, %rax
movabsq $9223372036854775807, %rcx ## imm = 0x7FFFFFFFFFFFFFFF
andq %rcx, %rax
movd %rax, %xmm1
cvttsd2si %xmm1, %rax
xorps %xmm0, %xmm0
cvtsi2sdq %rax, %xmm0
ucomisd %xmm0, %xmm1
movq %r13, %rbx
jne L919
jp L919
cvttsd2si %xmm0, %rcx
cmpq %rcx, %rax
jne L919
movq (%rdi), %rcx
movq %rax, (%rcx,%r15,8)
movq %rbx, -64(%rbp)
movq -96(%rbp), %rax
movq %rax, -56(%rbp)
movabsq $4590048656, %rdi ## imm = 0x111969590
movq %r14, %r15
movq %r15, %rsi
movl $2, %edx
movabsq $jl_apply_generic, %r14
callq *%r14
movq %rax, -64(%rbp)
movabsq $4576747568, %rdi ## imm = 0x110CBA030
movq %r15, %rsi
movl $1, %edx
callq *%r14
movq %rax, -64(%rbp)
movabsq $4576747568, %rdi ## imm = 0x110CBA030
movq %r15, %rsi
movl $1, %edx
callq *%r14
movq -8(%rax), %rcx
shrq $4, %rcx
cmpq $284661857, %rcx ## imm = 0x10F79861
jne L1068
movabsq $jl_false, %rcx
cmpq (%rcx), %rax
je L462
L887: movq -104(%rbp), %rax
movabsq $jl_pgcstack, %rcx
movq %rax, (%rcx)
leaq -40(%rbp), %rsp
popq %rbx
popq %r12
popq %r13
popq %r14
popq %r15
popq %rbp
ret
L919: movabsq $jl_inexact_exception, %rax
movq (%rax), %rdi
movabsq $jl_throw, %rax
callq *%rax
L944: movabsq $jl_type_error_rt, %rbx
movabsq $13317660823, %rdi ## imm = 0x319CB6097
movabsq $13317660724, %rsi ## imm = 0x319CB6034
movabsq $4554589712, %rdx ## imm = 0x10F798610
movq %rax, %rcx
callq *%rbx
L989: movabsq $jl_type_error_rt, %rbx
movabsq $13317660823, %rdi ## imm = 0x319CB6097
movabsq $13317660754, %rsi ## imm = 0x319CB6052
movabsq $4554589520, %rdx ## imm = 0x10F798550
movq %rax, %rcx
callq *%rbx
L1034: movq %rsp, %rax
leaq -16(%rax), %rsi
movq %rsi, %rsp
incq %r15
movq %r15, -16(%rax)
movabsq $jl_bounds_error_ints, %rax
movl $1, %edx
callq *%rax
L1068: movabsq $jl_type_error_rt, %rbx
movabsq $13317660823, %rdi ## imm = 0x319CB6097
movabsq $13317660724, %rsi ## imm = 0x319CB6034
movabsq $4554589712, %rdx ## imm = 0x10F798610
movq %rax, %rcx
callq *%rbx
まとめ
- 今のところword2vec.rb(Mikolovらの手法を実装したC言語のword2vecをナイーブにRubyにportingしたもの)はLLVMで表現できそうなところまでは確認
- 但し前述のDisclaimerに記述した通り変換できるRuby上の表現が非常に限定的なため利用用途は極端に限定されます
- 型推論が存在しない世界であるRubyのコードをJuliaを経由してLLVM IRで表現することで、これまで得られなかった力がRubyにもたらされ得るという部分が個人的には面白いと思いQiitaにまとめました