Ruby でつくる型付き Ruby

Rubyでつくる
型付きRuby
とちぎRuby会議07 (2017-08-26)
@mametter（遠藤侑介）

自己紹介：@mametter（遠藤侑介）
• Ruby コミッタ（2008年～）
• Ruby への主な貢献
– Ruby 本体のテストや
RubySpec を増強した
– カバレッジ測定機能を実装した
• Ruby 2.5で分岐カバレッジ実装予定！
くわしくは RubyKaigi 2017@広島（9/18～20）で
– リリース管理に関わった（特に Ruby 1.9.2 と 2.0）
– キーワード引数やデッドロック検出などを実装した
’06下 ’07上 ’07下 ’08上
60
70
80
90
100
coverage(%)
70%
85%
C0カバレッジ遷移

自己紹介：@mametter（遠藤侑介）
• いろいろ本を書いてます（翻訳を含む）
Quine
とか変なプログラム
の本
インタプリタ
をRubｙで
自作してみる本
型システム
の教科書
（”TAPL”の翻訳）
代入禁止
プログラミングの本
（”PFDS”の翻訳）
※翻訳歓迎！

今日のテーマ
• Ruby でつくる Ruby
Quine
とか変なプログラム
の本
インタプリタ
をRubｙで
自作してみる本
型システム
の教科書
代入禁止
プログラミングの本
（”PFDS”の翻訳）
型システム
の教科書
型付き Ruby

Ruby インタプリタって何？
（matz製の）
Rubyインタプリタ

みなさんに質問
Rubyインタプリタ
作ったことのある人？

もしここが「とちぎScheme会議」だったら
• たぶんこうなる

みんな Ruby インタプリタ書こう！
• プログラマの教養として、自分の好きな言語の
インタプリタくらい作っておきたい！
– 実用レベルじゃなくてよい
– SchemeやMLの入門では定番の教材
• ガイドブックを書いた
– 144 ページ、128 行で
インタプリタが書ける！
– 対象読者：プログラミング未経験者
から Ruby 経験者まで

目次
• 『Ruby でつくる Ruby』ダイジェスト
– 概要  今からここ
– インタプリタの構成と実装例
– ゴールと意義
• Ruby でつくる型付き Ruby
– Ruby と型の概観
– 漸進的型付けのアイデアと実装例
• まとめ

プログラミング言語とは
• コンピュータに対する指示を書くための言葉
コンピュータは
Ruby プログラムを
直接理解できない
✕

インタプリタとは
• プログラムの指示をコンピュータに伝えるプログ
ラム
– interpreter: 通訳
インタプリタは
コンピュータが
理解できるように
書いておく
インタプリタは
プログラムを読んで
解釈し、実行する

本書の内容
• Ruby 言語で Ruby インタプリタを書いてみる
– 「Ruby プログラムを読んで、解釈し、実行する」
– という Ruby プログラムを書く
• （eval は使わない）
• 疑問：作ったインタプリタはどうやって動かす？
– 答え：Matz 製のインタプリタに動かしてもらう

つまり、こういうこと
※こんなものを作って
何の意味があるかは後述

実際に作るもの
• MinRuby：Ruby のコア部分を切り出した言語
– 演算式（1 + 2 とか）
– 変数（x = 1 とか p(x) とか）
– 分岐とループ（if と while）
– 関数、配列とハッシュ
– オブジェクト指向やブロックは不必要(!)なので省く
• 本書の正確な内容：MinRuby で MinRuby インタ
プリタを作る
– インタプリタの実装も楽になる
– 覚えることが少ない（プログラミング未経験者でも読める！）

目次
– 概要
– インタプリタの構成と実装例  今からここ
• まとめ

?
インタプリタの構成
入力
MinRuby
プログラムの
テキストファイル
出力
プログラムの
実行結果
1+2*3
7
構文解析
計算の木
（抽象構文木）
評価
プログラム文字列を
「木」に変換する
（ライブラリ使用）
「木」を見て
計算を行う

Ruby での木の表現方法
• ["演算子", 左の枝, 右の枝]
という配列を入れ子にして表現する
["+",
1,
["*",
2,
3
]
]

Ruby での木の表現方法
• ["演算子", 左の枝, 右の枝]
という配列を入れ子にして表現する
["+",
1,
["*",
2,
3
]
]
["+",
["lit", 1],
["*",
["lit", 2],
["lit", 3],
]
]

評価のイメージ
• 枝を切って
葉に差し替える
• これを繰り返す
• 葉だけに
なったら終了

評価器の実装
• 関数の再帰呼び出しを使う
– 本書における「関数」の定義＝木を辿るための道具
再帰の初心者向け解説は、フィボナッチより木のトラバースの方がわかり
やすいのではないだろうか（木という目に見える再帰構造があるので）
def evaluate(tree)
if tree[0] == "lit"
tree[1]
elsif tree[0] == "+"
evaluate(tree[1]) + evaluate(tree[2])
elsif tree[0] == "*"
evaluate(tree[1]) * evaluate(tree[2])
end
end
“演算子”の部分
左の枝右の枝

インタプリタ実装の進め方
1. 実装する言語機能の抽象構文木を観察する
2. 解釈の方法をプログラムに落としていく
• 例：if 文
– 抽象構文木：[“if”, 条件式, then部分, else部分]
– インタプリタ実装：
– if 文の実装に if を使う
インタプリタの本質は
ターゲット言語からホスト言語への丸投げ
if evaluate(tree[1])
evaluate(tree[2])
else
evaluate(tree[3])
end

つづきは本書で
• 言語機能をガンガン足していく
– 5章：複文、変数代入・参照
– 6章：if 文、while 文
– 7、8章：関数呼び出し、関数定義
– 9章：配列やハッシュの作成・参照・代入
MinRuby インタプリタの出来上がり
– 執筆時に工夫したこと
• 各章で一旦完結させる
– 動作しない状態で
終わらない
– 演習問題を入れる
• 退屈にならないようにする
– 実装対象の言語機能を考察する
– 環境などの必要な拡張をしたり
– each とか使ってない
（ブロックがないので使えない）

MinRuby インタプリタ全貌
require "minruby"
def evaluate(exp, genv, lenv)
case exp[0]
when "stmts"
last = nil
i = 1
while exp[i]
last = evaluate(exp[i], genv, lenv)
i = i + 1
end
last
when "lit"
exp[1]
when "+"
evaluate(exp[1], genv, lenv) + evaluate(exp[2], genv, lenv)
when "-"
evaluate(exp[1], genv, lenv) - evaluate(exp[2], genv, lenv)
when "*"
evaluate(exp[1], genv, lenv) * evaluate(exp[2], genv, lenv)
when "/"
evaluate(exp[1], genv, lenv) / evaluate(exp[2], genv, lenv)
when "%"
evaluate(exp[1], genv, lenv) % evaluate(exp[2], genv, lenv)
when "=="
evaluate(exp[1], genv, lenv) == evaluate(exp[2], genv, lenv)
when "<"
evaluate(exp[1], genv, lenv) < evaluate(exp[2], genv, lenv)
when "<="
evaluate(exp[1], genv, lenv) <= evaluate(exp[2], genv, lenv)
when ">"
evaluate(exp[1], genv, lenv) > evaluate(exp[2], genv, lenv)
when ">="
evaluate(exp[1], genv, lenv) >= evaluate(exp[2], genv, lenv)
when "var_ref"
lenv[exp[1]]
when "var_assign"
lenv[exp[1]] = evaluate(exp[2], genv, lenv)
when "if"
if evaluate(exp[1], genv, lenv)
evaluate(exp[2], genv, lenv)
else
evaluate(exp[3], genv, lenv) if exp[3]
end
when "while"
while evaluate(exp[1], genv, lenv)
evaluate(exp[2], genv, lenv)
end
when "func_def"
genv[exp[1]] = ["user_defined", exp[2], exp[3]]
when "func_call"
args = []
i = 0
while exp[i + 2]
args[i] = evaluate(exp[i + 2], genv, lenv)
i = i + 1
end
mhd = genv[exp[1]]
if mhd[0] == "builtin"
minruby_call(mhd[1], args)
else
new_lenv = {}
params = mhd[1]
i = 0
while params[i]
new_lenv[params[i]] = args[i]
i = i + 1
end
evaluate(mhd[2], genv, new_lenv)
end
when "ary_new"
ary = []
i = 0
while exp[i + 1]
ary[i] = evaluate(exp[i + 1], genv, lenv)
i = i + 1
end
ary
when "ary_assign"
ary = evaluate(exp[1], genv, lenv)
idx = evaluate(exp[2], genv, lenv)
val = evaluate(exp[3], genv, lenv)
ary[idx] = val
when "ary_ref"
ary = evaluate(exp[1], genv, lenv)
idx = evaluate(exp[2], genv, lenv)
ary[idx]
when "hash_new"
hsh = {}
i = 0
while exp[i + 1]
key = evaluate(exp[i + 1], genv, lenv)
val = evaluate(exp[i + 2], genv, lenv)
hsh[key] = val
i = i + 2
end
hsh
else
p("error")
pp(exp)
raise "unknown node: #{ exp[0] }"
end
end
genv = {
"p" => ["builtin", "p"],
"require" => ["builtin", "require"],
"minruby_parse" => ["builtin", "minruby_parse"],
"minruby_load" => ["builtin", "minruby_load"],
"minruby_call" => ["builtin", "minruby_call"],
}
lenv = {}
evaluate(minruby_parse(minruby_load()), genv, lenv)
空行含めて
無理なく 128 行

目次
– 概要
– ゴールと意義  今からここ
• まとめ

できたもの
• MinRuby で書かれた MinRuby インタプリタ
 インタプリタ自身も MinRuby プログラム
インタプリタがインタプリタ自身を実行できる！
（ブートストラップ）

本書のゴール：ブートストラップ
• 自分で書いたインタプリタで
• 自分で書いた
インタプリタを
動かす
※インタプリタで
ブートストラップとは
言わないかも

RubyでRubyインタプリタを書く意義
• 実用上は無意味
– 機械語で書かれていないインタプリタは役に立たない
– 世の中、意味のないことのほうが面白い
• インタプリタの原理と構成を理解できる
– 教科書的な知識だけでなく実際に手を動かすのは重要
– ブートストラップに成功したときの達成感は半端ない
• Ruby 言語自体を深く考察する土台になる
– たとえば型とか

目次
– 概要
– Ruby と型の概観  今からここ
• まとめ

型とは
• 変数の取りうる値の範囲を表現したもの
– この呼び出しは OK
– この呼び出しは NG
• 参考情報：Matz は Ruby 3 で型を入れたいと言っている
– RubyKaigi 2017 @ 広島でも関連発表が複数ありそう
def add_int(x: Integer, y: Integer)
x + y
end 型注釈
add_int(1, 2)
add_int("foo", 2)

型の目的
• 関数引数の想定を簡潔にドキュメント化したい
– うざい
• テストなしで自動的に『バグ』を見つけたい
– テストで 1 時間待ちたくない
sleep 3600
add("foo", 2)
# 引数 x と y は Integer を受け付けます
def add(x, y)
x + y
end

型で見つけたい『バグ』とは？
• この関数に対しては
– これにバグはない
– ほぼ明らかにバグ
– 動くけど目的外利用
def add_int(x, y)
x + y
end
add_int(1, 2)
add_int("foo", 2)
add_int("foo", "bar")

型で見つけたい『バグ』とは？
• この関数に対しては
– これにバグはない
– ほぼ明らかにバグ
– OKかも？（ダックタイピング）
– バグかどうかはプログラム単体では一意に決まらない
– プログラマの意図に依存する
def add(x, y)
x + y
end
add(1, 2)
add("foo", 2)
add("foo", "bar")

ダックタイピングを許す型注釈の例
• 解決1：オーバーロード
– 許したい型が増えたらドンドンうざくなる
• 解決2：構造的型付け
– 型が長く難しくなりがち
• 解決3：漸進的型付け
def add(x:Integer, y:Integer); x+y; end
def add(x: String, y: String); x+y; end
def add(x:α, y:α) where α.respond_to?(:+)
x+y
end

型のその他の問題
• 型注釈を書くのが面倒
• 型注釈のない既存資産が大量に存在する
– これらもだいたい漸進的型付けで解決できる

目次
– 概要
– 漸進的型付けのアイデアと実装例  今からここ
• まとめ

漸進的型付け [Siek ‘06] のアイデア
• 型ありと型なしの同居を認める
– 型注釈があったら型チェックされる
– 型注釈がなかったら型チェックしない
• Ruby での使い方
– ダックタイピングしたいところには型注釈を書かない
– 型注釈のない既存資産もとりあえずそのまま使える
（気が向いたときに書き足してもよい）
def add(x, y)
x + y
end
def add_int(x:Integer, y:Integer)
x + y
end

漸進的型付けの実装イメージ
• 型注釈がない変数は any 型とする
• any 型が絡む演算の結果は any 型とする
– すごく単純なアイデアだけど
2006 年頃にようやく登場
• 部分型（継承関係）を使った
アプローチが研究の泥沼だった
– 漸進的型付けは
Python 3 の型ヒントや
TypeScript の基盤でもある
（つまり多分 Ruby でも使える？）
J. G. Siek, et al. Gradual Typing for Functional Languages より引用

実装してみた、デモ
def add(x, y)
x + y
end
def add_int(x:Integer, y:Integer)
x + y
end
p(add(1, 2)) #=> 3
p(add("foo", 2)) #=> 実行時例外
p(add("foo", "bar") #=> "foobar"
p(add_int(1, 2)) #=> 3
p(add_int("foo", 2)) #=> 実行前に型エラー
p(add_int("foo", "bar") #=> 実行前に型エラー
※型注釈を含む構文解析は自作しました
（本には未掲載、本で読みたい人はラムダノート社長の鹿野さんを煽ってください）

まとめ：型付き MinRuby
• MinRuby を実験用環境として使う
– クラスやブロックなど、難しいものがないので実験し
やすい
• 漸進的型付けの Ruby 実用化への課題
– クラスやブロックなど、難しいものにも対応しないと
いけない
• Python や TypeScript が行けたくらいだから多分できる？
– 型推論の併用を考える
• TypeScript は局所型推論みたいなことをやってる
（関数の引数の方は推論しない）

目次
– 概要
• まとめ  今からここ

まとめ
• 『Ruby でつくる Ruby』
– Ruby 言語で
Ruby インタプリタを作る本
• この会場で直販中！
• インタプリタの原理と構成を
学べる
• Ruby 言語を冷静に見つめ、
機能拡張とかを考えられる
– 型とか

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