FORTH ベーシックマスター Lev 11 ー CREATEとメモリ操作 ― 配列を自作する

FORTHの強みの一つは、メモリ領域を直接操作できる という点にある。他の言語では「配列」や「構造体」はあらかじめ用意された抽象概念であるが、FORTHではそれらを明示的に自作 する。この「データを置く場所を自分で決める」自由こそ、FORTHの低レベル言語としての魅力であり、同時に「思考を構造化する力」を鍛える最良の教材でもある。

メモリ確保の基本 ― CREATE と ALLOT

FORTHにおけるCREATEは、「新しいワードを辞書に登録し、そのワードが指すメモリアドレスを用意する」命令である。

CREATE BUF

これにより、BUFという名前のワードが辞書に登録される。この時点で、BUFはメモリアドレスを返すワード として定義される。

入力

BUF .S

出力例

<1> 1904232

つまり、BUFを実行すると、そのメモリ位置（アドレス）がスタックに積まれる。このアドレスは、まだ何も使われていない“空の領域”である。

次に、ALLOTを使ってこの領域に一定のバイト数を確保する。

CREATE BUF 100 ALLOT

これで、BUFは100バイト分の領域を持つデータブロックを指すようになる。FORTHでは、配列も構造体もこの仕組みから構築される。

※ALLOT とは、「割り当てる」という意味の英単語。

メモリへの格納と取得 ― ! と @

確保した領域にデータを書き込むには、!（ストア）を使う。逆に読み出すには、@（フェッチ）を使う。

単一セルの書き込みと読み出し

VARIABLE X
123 X !
X @ .

出力

123

このVARIABLEも、内部的にはCREATEとALLOTで実装されている。

: VARIABLE ( "name" -- )
  CREATE 1 CELLS ALLOT ;

配列を自作する ― CELLSとインデックス計算

FORTHでは、メモリ単位が明確である。1セル＝通常は32ビットまたは64ビット（環境依存）であり、整数型データの格納にはCELLSを使うと安全である。

以下のようにして、10個の整数を格納できる配列を作ることができる。

CREATE ARR 10 CELLS ALLOT

これで、ARRは10セル分（整数10個分）の配列として機能する。各要素へのアクセスは、インデックスに応じてセル単位でアドレスを進める。

3番目の要素に値を格納

30 2 CELLS ARR + !

ここでの動作

スタック操作	意味
2 CELLS	配列内の2番目（0始まり）をセル単位でオフセット計算
ARR +	ARRの基点アドレスにオフセットを足す
!	そのアドレスに値を格納

読み出し

ARR 2 CELLS + @ .

出力

30

FORTHでは配列演算すら、単純なアドレス算術の組み合わせで行う。

配列アクセスワードを定義する

FORTHの真骨頂は、これらの操作を「ワード化」して再利用できる点にある。配列アクセス専用のワードを定義してみよう。

: ARR! ( n i -- )
  CELLS ARR + ! ;

: ARR@ ( i -- n )
  CELLS ARR + @ ;

これで次のように使える：

入力

10 0 ARR!
20 1 ARR!
30 2 ARR!
2 ARR@ .

出力

30

つまり、C言語で言えば ARR[2] = 30; に相当する処理をFORTHで自作したことになる。このように、FORTHでは「必要な構造はすべて自分で定義できる」。

配列の中身を表示する

FORTHにはCのようなprint_array()という命令はないが、@（読み出し）とループ構文（DO … LOOP）を組み合わせることで、簡単に配列の中身を確認できる。

配列の先頭からn個の要素を表示する

: SHOW-ARRAY ( addr count -- )
  0 DO
    CR I . ." : "          \ 改行してインデックス表示
    I CELLS OVER + @ .     \ addr[i] を表示
  LOOP
  DROP ;                    \ addrを最後に消す

実行例

ARR 3 SHOW-ARRAY

出力

0 : 10
1 : 20
2 : 30

動作

1. スタックに ( addr count ) がある
2. 0 DO … LOOP で I がインデックスを生成
3. I CELLS OVER + で addr + i*cell
4. @ で値を取り出し、. で表示
5. 最後に OVERで残したaddrをDROPで消す

CREATE ... DOES>による“配列ワードの自動化”

ここまででARRのような単一配列を作ったが、複数の配列を動的に生成したい場合は、CREATE ... DOES>を使うのが便利である。

構文

: <定義名>
  CREATE （定義時の動作）
  DOES> （実行時の動作）
;

これにより、**「データを持ち、実行時に固有の動作をするワード」**を作れる。いわば、FORTH流の“クラスとインスタンス”のようなものだ。

: ARRAY: ( n -- )
  CREATE CELLS ALLOT
  DOES> ( i -- addr )
    SWAP CELLS + ;

このARRAY:を使うと、任意のサイズの配列をワードひとつで作れる。

10 ARRAY: DATA

これでDATAは、要素数10の配列として振る舞う。アクセスは次のように行う。

100 0 DATA !         \ DATA[0] = 100
200 1 DATA !         \ DATA[1] = 200
0 DATA @ .           \ → 100
1 DATA @ .           \ → 200

DOES>部のCELLS +が、アクセス時のアドレス計算を自動で行っている。このようにFORTHでは、言語構文を自分で定義することができる。

応用 ― 配列の初期化と走査

配列を初期化したいときも、FORTHではループを組み合わせるだけで良い。

: INIT-DATA ( n -- )
  0 DO
    I I DATA !
  LOOP ;

実行

10 INIT-DATA

これで DATA[0]=0, DATA[1]=1, … DATA[9]=9 が格納される。
確認は：

10 0 DO I DATA @ . LOOP

出力

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

FORTHでは、このような「低レベルなループとアドレス演算の組み合わせ」によって、高度なデータ操作がシンプルに表現できる。

メモリとFORTH哲学 ― 「データは場所で考える」

FORTHのデータ構造思想は、「データ＝名前ではなく、場所（アドレス） である」という前提に立っている。この考え方は、一見古風に見えるが、制御系や科学計算の世界では今も生きている。センサー値を連続的に記録する配列、シミュレーションの状態変数を保持するテーブルなど、FORTHの“場所志向の設計”は極めて直感的で、効率がよい。

この「自分で作る配列」は、次回のDOES>によるオブジェクト的構造の設計、さらには行列演算・科学データ処理への基盤となる。