brainfuck コンパイラで遊んだ
Brainfuck というプログラミングがあります。これは、たった8文字の記号だけから出来ているプログラミング言語です。マシーンモデルも単純で、プログラムコードと、実行位置を表すインストラクションポインタと、バイトの配列であるデータと、「現在のデータの位置」を表すデータポインタがあります。
Brainfuck のような言語は英語では esoteric programming language と言って「難解プログラミング言語」と訳されますが、実際算術命令もないし、比較命令もないのでプログラムをこれで書くのは大変です。
いっぽう、Brainfuck のインタープリタを書くのはとても簡単です。自分もC言語でインタープリタを書いてみました。記号の羅列を入力すると、Hello World! とか出て面白いです。
極めればこの Brainfuck で結構複雑なプログラムを書くことも出来て、例えばマンデルブロー集合を文字で表示するプログラムを書いた方もいらっしゃいます。
この mandelbrot.b を実行するとこんな絵がコンソールに出力されるわけです。
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僕のインタープリタだと最初これを実行するのに45秒くらいかかったのですが、連続するインクリメントやデクリメントをまとめて加算や減算と考えて、新しい命令を追加すると30秒くらいになりました。
じゃあ、インタープリタじゃなくてコンパイラだったらどんなに速いんだろうと思って、調べてみると bfc.py という Python で書かれた brainfuck 最適化コンパイラが見つかりました。
これは僕のインタープリタでやっているような最適化に加えて、ある種のループも算術演算と代入に置き換えることができます。
しかも！ 変換先のターゲット言語として C 言語とJavaとPython の３つの言語が選べます。先にあげたページにも記述がありますが、手元でも mandelbrot.b を実行しますと C が 0.7 秒、Java が 20 秒、Python が 4分47 秒といった具合でした。
Python が著しく遅れをとっているのは、スクリプト言語だということや、バイトを表すデータ型がないので modulo 256 のセマンティクスを実現するために、追加の処理が必要なのもありますが、まずはデータとして配列ではなくリストを使っているからではないかと疑いました。
そこで、リストの代わりに array.array や 数値計算モジュールである NumPy の numpy.darray を使ったコードを出力するように変更してみたのですが、それぞれ 5分40秒、25分4秒とかえって遅くなってしまいました。Python の「リスト」は添え字アクセスに O(n) の時間がかかる連結リストだと思っていたのですが、実はオブジェクトへのポインタの配列なのだそうで、定数時間で要素にアクセスできたのでした。
ところで、この 最適化コンパイラはプログラムを抽象構文木に変換して、最適化処理を加えたあと、バックエンドを担う関数でそれぞれの言語のコードを吐き出す構造になっています。自分は Ruby 好きなので、Rubyのバックエンドも書き足してみました。Ruby のコードは、2分18秒でマンデルブロー集合を描画することができました。やるじゃん。
