Rubyがプログラムを解釈して実行する方法
ツールについてよく知っているほど、開発者としてより良い決定を下すことができます。特にパフォーマンスの問題をデバッグする場合は、Rubyがプログラムを実行するときに実際に何をしているのかを理解しておくと便利です。
この投稿では、簡単なプログラムが字句解析され、解析され、バイトコードにコンパイルされるまでの道のりをたどります。 Rubyが提供するツールを使用して、あらゆる段階でインタープリターをスパイします。
心配しないでください。専門家でなくても、この投稿は非常に簡単にフォローできるはずです。テクニカルマニュアルというよりはガイド付きツアーです。
例として、単一のif/elseステートメントを使用します。スペースを節約するために、三項演算子を使用してこれを記述します。しかし、だまされてはいけません。それは単なるif/elseです。
x > 100 ? 'foo' : 'bar'
ご覧のとおり、このような単純なプログラムでも、処理されるとかなりの量のデータに変換されます。
注：この投稿のすべての例は、Ruby（MRI）2.2で作成されています。 Rubyの他の実装を使用している場合、それらはおそらく機能しません。
Rubyインタープリターがプログラムを実行する前に、プログラムをある程度自由形式のプログラミング言語からより構造化されたデータに変換する必要があります。
最初のステップは、プログラムをチャンクに分割することかもしれません。これらのチャンクはトークンと呼ばれます。
# This is a string
"x > 1"
# These are tokens
["x", ">", "1"]
Ruby標準ライブラリには、Rubyインタープリターとほぼ同じ方法でRubyコードを処理できるRipperというモジュールが用意されています。
以下の例では、Rubyコードでtokenizeメソッドを使用しています。ご覧のとおり、トークンの配列を返します。
require 'ripper'
Ripper.tokenize("x > 1 ? 'foo' : 'bar'")
# => ["x", " ", ">", " ", "1", " ", "?", " ", "'", "foo", "'", " ", ":", " ", "'", "bar", "'"]
トークナイザーはかなり愚かです。完全に無効なRubyをフィードしても、トークン化されます。
# bad code
Ripper.tokenize("1var @= \/foobar`")
# => ["1", "var"]
字句解析は、トークン化を超えた一歩です。文字列はまだトークンに分割されていますが、追加のデータがトークンに追加されます。
以下の例では、Ripperを使用して小さなプログラムをLexしています。ご覧のとおり、各トークンに識別子:on_identのタグが付けられています。 、演算子:on_op 、整数:on_int 、など。
require 'ripper'
require 'pp'
pp Ripper.lex("x > 100 ? 'foo' : 'bar'")
# [[[1, 0], :on_ident, "x"],
# [[1, 1], :on_sp, " "],
# [[1, 2], :on_op, ">"],
# [[1, 3], :on_sp, " "],
# [[1, 4], :on_int, "100"],
# [[1, 5], :on_sp, " "],
# [[1, 6], :on_op, "?"],
# [[1, 7], :on_sp, " "],
# [[1, 8], :on_tstring_beg, "'"],
# [[1, 9], :on_tstring_content, "foo"],
# [[1, 12], :on_tstring_end, "'"],
# [[1, 13], :on_sp, " "],
# [[1, 14], :on_op, ":"],
# [[1, 15], :on_sp, " "],
# [[1, 16], :on_tstring_beg, "'"],
# [[1, 17], :on_tstring_content, "bar"],
# [[1, 20], :on_tstring_end, "'"]]
この時点では、実際の構文チェックはまだ行われていません。レクサーは無効なコードを問題なく処理します。
Rubyがコードをより管理しやすいチャンクに分割したので、解析を開始します。
解析段階で、Rubyはテキストを抽象構文木（AST）と呼ばれるものに変換します。抽象構文木は、メモリ内のプログラムを表したものです。
一般に、プログラミング言語は、抽象構文木を記述するためのよりユーザーフレンドリーな方法であると言うかもしれません。
require 'ripper'
require 'pp'
pp Ripper.sexp("x > 100 ? 'foo' : 'bar'")
# [:program,
# [[:ifop,
# [:binary, [:vcall, [:@ident, "x", [1, 0]]], :>, [:@int, "100", [1, 4]]],
# [:string_literal, [:string_content, [:@tstring_content, "foo", [1, 11]]]],
# [:string_literal, [:string_content, [:@tstring_content, "foobar", [1, 19]]]]]]]
この出力を読むのは簡単ではないかもしれませんが、それを十分に長く見つめると、元のプログラムにどのようにマッピングされるかを見ることができます。
# Define a progam
[:program,
# Do an "if" operation
[[:ifop,
# Check the conditional (x > 100)
[:binary, [:vcall, [:@ident, "x", [1, 0]]], :>, [:@int, "100", [1, 4]]],
# If true, return "foo"
[:string_literal, [:string_content, [:@tstring_content, "foo", [1, 11]]]],
# If false, return "bar"
[:string_literal, [:string_content, [:@tstring_content, "foobar", [1, 19]]]]]]]
この時点で、Rubyインタープリターはあなたが何をしたいのかを正確に知っています。今すぐプログラムを実行できます。そして、Ruby 1.9より前は、そうだったでしょう。しかし今、もう1つのステップがあります。
抽象構文ツリーを直接トラバースする代わりに、現在、Rubyは抽象構文ツリーを下位レベルのバイトコードにコンパイルします。
このバイトコードは、Ruby仮想マシンによって実行されます。
RubyVM::InstructionSequenceを介して、仮想マシンの内部動作を確認できます。 クラス。以下の例では、サンプルプログラムをコンパイルしてから分解し、人間が読める形式にします。
puts RubyVM::InstructionSequence.compile("x > 100 ? 'foo' : 'bar'").disassemble
# == disasm: <RubyVM::InstructionSequence:<compiled>@<compiled>>==========
# 0000 trace 1 ( 1)
# 0002 putself
# 0003 opt_send_without_block <callinfo!mid:x, argc:0, FCALL|VCALL|ARGS_SIMPLE>
# 0005 putobject 100
# 0007 opt_gt <callinfo!mid:>, argc:1, ARGS_SIMPLE>
# 0009 branchunless 15
# 0011 putstring "foo"
# 0013 leave
# 0014 pop
# 0015 putstring "bar"
# 0017 leave
うわあ！これは突然、Rubyよりもアセンブリ言語のように見えます。それをステップスルーして、私たちがそれを理解できるかどうか見てみましょう。
# Call the method `x` on self and save the result on the stack
0002 putself
0003 opt_send_without_block <callinfo!mid:x, argc:0, FCALL|VCALL|ARGS_SIMPLE>
# Put the number 100 on the stack
0005 putobject 100
# Do the comparison (x > 100)
0007 opt_gt <callinfo!mid:>, argc:1, ARGS_SIMPLE>
# If the comparison was false, go to line 15
0009 branchunless 15
# If the comparison was true, return "foo"
0011 putstring "foo"
0013 leave
0014 pop
# Here's line 15. We jumped here if comparison was false. Return "bar"
0015 putstring "bar"
0017 leave
次に、ruby仮想マシン（YARV）がこれらの命令をステップ実行し、実行します。以上です！
これで、Rubyインタープリターの非常に単純化された漫画のツアーは終了です。ここで紹介したツールを使用すると、Rubyがプログラムをどのように解釈しているかから多くの当て推量を取り除くことができます。つまり、ASTより具体的になることはありません。そして、次に奇妙なパフォーマンスの問題に悩まされたときは、バイトコードを見てみてください。それはおそらくあなたの問題を解決しないでしょう、しかしそれはあなたの心をそれから取り除くかもしれません。 :)
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