WebAssemblyとコンパイラとランタイム

Thu, 16 Feb 2017 15:46:21 +0900

# WebAssemblyとコンパイラとランタイム
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[emscripten night !! #3 - connpass](https://emsn.connpass.com/event/48100/)

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# About Me
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![κeenのアイコン](/images/kappa.png)

* κeen
 * [@blackenedgold](https://twitter.com/blackenedgold)
 * Github: [KeenS](https://github.com/KeenS)
 * [Idein Inc.](https://idein.jp/)のエンジニア
 * Lisp, ML, Rust, Shell Scriptあたりを書きます

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# 何の話
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* WebAssemblyをバックエンドに使う言語を作りたい
* [KeenS/webml: An ML like toy language compiler](https://github.com/KeenS/webml)
* 既に発表したものの補足記事的な
  + [コンパイラの人からみたWebAssembly | κeenのHappy Hacκing Blog](https://keens.github.io/slide/konpairanoninkaramitaWebAssembly/)
  + ある程度再度説明します

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# アジェンダ
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* なぜWebAssembly
* コンパイラ
* コード生成
* ランタイム

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# なぜWebAssembly

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# なぜWebAssembly
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* なんかバイナリでテンション上がる
* ポータブルでコンパクトで速い
* 機能的にJSを越えるかもしれない…？
* コンパイラがブラウザで動くと言語導入のハードル下がる
  + 気軽に試せる
  + コンパイラだけでなく吐いたコードもブラウザで動かしたい

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# WASM over LLVM
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* 既存のJS環境と協調する
  + JSとの相互呼び出しとか
* **non-determinismが少ない**
* 細かいアラインメント考える必要がない
* **API安定しそう**

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# WASM over asm.js
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* ブラウザ以外への組込みもサポート
  + Node.jsとか
  + **JITエンジンに使えそう**
* プラットフォーム
* 実行までのレイテンシが短かい
* asm.jsより速度を出しやすい設計
* テキストフォーマットで生成コードの文法エラーが怖い
* 将来機能が増えるかも

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# WebAssemblyの現状
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* Minimum Viable Product(MVP)
* 機能を削ってとりあえず動くものを作ってる
* 今はC/C++からLLVMを通して吐けるのが目標
  + C/C++には不要でも自分の言語に欲しい機能は……
* 今後SIMDとかスレッドとかDOM APIとか増えていく

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# コンパイラ

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# WASM概要
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* WASMには以下がある
  + 関数
    - 関数内ローカル変数
  + リニアメモリ
  + グローバル変数
  + テーブル
  + importテーブル
  + exportテーブル

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# WASM実行モデル
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* i32,i64,f32,f64のみ
* **スタックマシン**
  + 命令のオペランドや関数の引数はスタック経由で渡す
  + 1 passのコード生成が楽そう
* 無限のローカル変数が使える
  + 型がある
* 関数の引数はローカル変数経由で渡される
* コントロールフローはgotoじゃなくてstructured
  + 静的検証がしやすいらしい
  + 安全だけどコンパイラ的には…

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# コントロールフロー
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* `loop` + `br` (名前付き)
* `block` + `br` (名前付き)
* `br_if` or `br_table`
* `if` + `else` + `end`
* `return`
* 等

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# コントロールフロー
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* gotoがない
  + `br` はブランチじゃなくてブレイク
* gotoからstructuredに[変換出来る](https://github.com/kripken/emscripten/blob/master/docs/paper.pdf)
    + loop, block, br, br_ifを使う
* 高級言語から変換するなら `if` を使う
  + ifが2系統あることになる

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# サンプル
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``` javascript
function geometricMean(start, end) {
  start = start|0; // start has type int
  end = end|0;     // end has type int
  return +exp(+logSum(start, end) / +((end - start)|0));
}
...
```

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# サンプル
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```wasm
(module
  (type (;0;) (func (param i64 i64) (result f64)))
  (type (;1;) (func (param i64 i64) (result f64)))
  (type (;2;) (func (param f64) (result f64)))
  (func (;0;) (type 0) (param i64 i64) (result f64)
    (get_local 0)
    (get_local 1)
    (call 1)
    (get_local 1)
    (get_local 0)
    (i64.sub)
    (f64.convert_s/i64)
    (f64.div)
    (call 2))
  ...)
```

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# サンプル
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```wasm
(module
  (type (;0;) (func (param i64 i64) (result f64)))
  (type (;1;) (func (param i64 i64) (result f64)))
  (type (;2;) (func (param f64) (result f64)))
  (func (;0;) (type 0) (param i64 i64) (result f64)
    (call 2
      (f64.div
       (call 1 (get_local 0) (get_local 1))
       (f64.convert_s/i64
        (i64.sub
         (get_local 1)
         (get_local 0))))))
  ...)
```

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# WebMLコンパイラ
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* パーサ、AST、HIR、MIR、LIR
* LIRがRTLなのでそれをWASMに変換したい
* gotoからstructured control flow…

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# 変数
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* LIRはレジスタで計算する
* LIRはCFG由来の大量の変数を使う
  + レジスタ割り当ては一旦置いとく
* WASMはスタックで計算する
* どうコード生成すると最適か？

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```
fun main: () -> i64 = {
    entry@0:
        r0: i64 <- 1
        r1: i32 <- 0
        r2: i64 <- 1
        r3: i64 <- 2
        r4: i64 <- 3
        r5: i64 <- r3 * r4
        r6: i64 <- 4
        r7: i64 <- r5 + r6
        r8: i64 <- r2 + r7
        r9: i64 <- 1
        r10: i64 <- 2
        r11: i64 <- r9 + r10
        r12: i64 <- 3
        r13: i64 <- r11 * r12
        r14: i64 <- 4
        r15: i64 <- r13 + r14
        r16: i32 <- 1
        jump_if_zero r16 then@1
        jump else@2
    then@1:
        r17: i64 <- r8
        jump join@3
    else@2:
        r17: i64 <- r15
        jump join@3
    join@3:
        r18: i64 <- 1
        r19: i64 <- r18 + r15
        r20: i64 <- 1
        r21: i64 <- call d@9(r20, )
        r22: i64 <- 2
        r23: i64 <- call #g37(r22, )
        r24: i64 <- 1
        r25: i64 <- heapalloc(16)
        [r25+0] <- <anonfun>@11
        [r25+8] <- r24
        r26: i64 <- 0
        ret r26
}
```

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# 変数割り当て
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* SSAの1変数 = WASMの1ローカル変数
* スタックの効率利用を完全に無視
* 計算はLV→スタック→LVに書き戻し
* どうせスタックもLVもレジスタ扱いにしてレジスタ割り当てされるでしょ
* （測ってないけど）多分速度は変わらない

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# CFG
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* コンパイラが一旦gotoを使うコントロールフローグラフを作る
* WASMにはgotoがない
* どうやったら生成出来るか？
* そもそも生成出来るの？

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# blockと前方ジャンプ
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* `block` + `break` で前方ジャンプ
* 閉じ括弧の位置にジャンプ
* `block` の位置は自由

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<pre>
<code>
(<span class='hljs-keyword'>block</span>
  ...
  (<span class='hljs-keyword'>br</span> 0)--+
  ...     |
  )<------+
</code>
</pre>
<p>===</p>
</article>
</main></body></html>

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