インタプリタ

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テンプレート:Redirect インタプリタ（interpreter）とは、プログラミング言語で書かれたソースコードないし中間表現にある命令列を逐次解釈しながら実行するプログラムのこと。インタプリタは次のだいたいいずれかの動作をするプログラムである。

  1. ソースコードを直接実行する。
  2. ソースコードを何らかの効率的な中間表現に変換し、それを即座に実行する。
  3. システムの一部であるコンパイラが生成し出力した、コンパイル済みの中間表現を実行する[1]。ソースプログラムはマシンに依存しない中間的なコードに事前にコンパイルされ、実行時にリンクされ、インタプリタで実行される。

マイクロコンピュータのTiny BASICは1番の例である。Perl、Python、MATLAB、Ruby は2番の例、Javaは3番の例である。

概要

プログラミング言語処理系の実装は、一般にインタプリタとコンパイラの2つがある。しかし、相互排他的に2つに分類できるわけではない。なぜなら多くのインタプリタ方式の処理系は、コンパイラが行っているような変換も内部で行っているからである。「インタプリタ言語」あるいは「コンパイラ言語」といった呼称も見掛けることがあるが、これらは単にその言語の規範的実装がインタプリタかコンパイラかを示しているに過ぎない（実際、詳しく調べれば、実験的な程度の実装まで含めれば両方ともあるということも多い）。高水準言語は基本的に抽象であり、（理想的には）特定の実装からは独立している。しかし、動的プログラミング言語のようにインタプリタでの実装が向いている方向性の言語、あるいはその逆もあるということは確かである。

インタプリタがおこなう、コンパイラが行っているような変換のひとつに、高速化などを目的とした、実行時コンパイラによる動的コンパイルがある。

インタプリタはプログラムを逐次機械語に変換して実行する、という説明を仄聞するが、正しくない[2]。そのような動作は動的コンパイルであり、それを行うインタプリタもあるが、全てのインタプリタがそのような動作をおこなうわけではないので、インタプリタの説明とは言えない。

歴史

世界初の、インタプリタが実装された高水準言語はLISPだと言われている。最初のLISP処理系はテンプレート:仮リンクが IBM 704 上に実装した。ラッセルはマッカーシーの論文を読み、マッカーシーも驚いたことにLISPの eval 関数を機械語で実装してみせた[3]。これによりLISPプログラムを実行できる、より正確には「LISPの式を評価」できるLISPインタプリタが生まれた。

インタプリタの長所と短所

開発サイクルの違い

プログラム開発中、プログラマは頻繁にソースコードに手を加える。コンパイラの場合、ソースコードを変更するたびにコンパイルし、リンクして実行ファイルを完成させないと、そのプログラムを実行できない。プログラムが大きくなると、ビルドの完了を待っている時間が長くなる。一方、インタプリタではソースコードをそのまま実行するか中間表現に変換するだけなので、ほとんど待つ必要がなく、修正がうまくいったかどうかのテストをより素早く確認できる。

配布

コンパイラは一般にソースコードを特定のプロセッサアーキテクチャの機械語命令列に変換するので、生成されるプログラムは特定のアーキテクチャのプロセッサでしか動かない。この変換は開発者の環境で一度だけ行われ、そのバイナリが配布され、ユーザー側では変換を行う必要がない。クロスコンパイラを使えば、他のプロセッサアーキテクチャ向けのバイナリを生成することができる。

インタプリタの場合、ソースコードを配布できる。その変換はユーザー側で行う必要があるが、特定のアーキテクチャに依存しないプログラムの配布が可能である。ただし、その場合ユーザーのマシン上に適当なインタプリタが実装されていなければならない。インタプリタとソースコードを同時に提供する必要があるなら、単に実行ファイルを配布した場合よりインストールが全体として複雑化することもある。

インタプリタ用コードは人間が容易に読むことができるため、著作権保護の観点から問題があるとする見方もある。しかし、そのための様々な暗号化やテンプレート:仮リンクのシステムも存在する。バイトコードのような中間コードを配布する場合、ある程度はオブファスケーションと同様の効果があるが、バイトコードを逆コンパイラあるいは逆アセンブラでデコードすることも可能である。抗逆コンパイル性のあるオブファスケーションを考慮したバイトコードとする設計もありうる。

性能

インタプリタ最大の短所は、コンパイラよりも実行時の性能が低いことである。この性能差は様々で、時には桁違いとなることもある。プログラムの実行時間はコンパイラよりもインタプリタの方が長いが、コンパイル時間と実行時間を合計すればインタプリタでの実行時間よりも長くなることがある。プロトタイピングとテストにおいては、この差が重要となる。

コンパイラではプログラム内の文の解析を実行前に1回だけ行うが、単純な実装のインタプリタではそれを文ごとに実行時に毎回行うため、実行性能が低くなる。単純な実装のインタプリタでは変数にアクセスする際も識別子とメモリ上の位置のマッピングを確認しなければならず、しかもそれを実行中に何度も行わなければならないので、性能が悪くなる。

単純な実装のインタプリタ方式が速度が遅くなる最大の原因は、一命令ごとにswitch文を実行することにある。現代のCPUはパイプライン方式を採用しており、命令の先読みが可能でないと、実行速度が著しく低下する。switch文の場所が命令の先読みが不可能であるため、単純な実装のインタプリタ方式は遅くなる。単純な実装のインタプリタ方式で実装された処理系を高速化（最適化）するための、最初にとられるステップがswitch文を廃止し、コンパイラ方式に切り替えることである。それゆえ、実装不可能というわけではないが、効果が薄いため、インタプリタ方式で実装する場合は、一般には、制御フロー解析や静的単一代入などを使った、複数の命令を超えての最適化が実装されないことが多い。

インタプリタによる開発の速さとコンパイラによる実行の速さの間で、様々な妥協案が考案されてきた。一部のLISP処理系などでは、インタプリタのコードとコンパイルされたコードが相互に呼び出しあうことができ、変数も共有できる。そのため、あるルーチンをインタプリタで評価しデバッグした後、先行してコンパイルして実行性能を高めつつ、他のルーチンを開発し続けることができる。多くのインタプリタはソースコードをそのまま実行するわけではなく、よりコンパクトな内部形式に変換している。多くのBASICインタプリタは予約語を1バイトのトークンに置換し、それをジャンプテーブルのインデックスとして使用する。PBASICなど一部のインタプリタでは、バイト単位ではなくビット単位でプログラムの短縮を行っており、例えばコマンドを5ビットで表し、一般に16ビットで表される定数をその数値の大きさに対応して可変長（3、6、10、18ビットなど）で表し、アドレスオペランドとして「ビットオフセット」を用意している。多くのBASICインタプリタは独自にトークン化された内部表現を保存し、読み込むことができる。

インタプリタがコンパイラと同様の字句解析と構文解析を行い、その結果生成された抽象構文木を解釈することもある。

バリエーション

バイトコードインタプリタ

テンプレート:Main ソースコードを実行可能な形にするには、まず、ソースコードを構文木に変換する必要がある。構文木のまま、インタプリタ型の処理系で実行する処理系もあるが、構文木をさらに、中間コード（バイトコードなど）などの中間表現に変換してから実行する物もある。中間コードをバイトコードと呼んでいる処理系ではそのインタプリタをバイトコードインタプリタと呼ぶ。Javaや.NET Frameworkのように、中間コードの仕様を公開しファイルに書き出すものもあるし、仕様は公開せず処理系内部だけで使用するものもある。動的コンパイルを使っているインタプリタは、内部で実機の機械語に変換し実行する。

インタプリタとコンパイラの間には様々な中間的実装が存在し、それぞれにプログラム実行前に行われる解析の度合いが異なる。例えば Emacs Lisp はバイトコードにコンパイルされ、Lispのソースを高度に圧縮し最適化した表現にしているが、それは機械語コードではない（したがって特定のプラットフォームに依存しない）。この「コンパイル」されたコードを解釈するのがバイトコードインタプリタである（それ自体はC言語で書かれている）。この場合のコンパイルされたコードは仮想機械の機械語コードであり、仮想機械はハードウェアで実装されておらず、バイトコードインタプリタとして実装されている。同様の手法は Open Firmware システムで使われている Forth コードでも使われている。ソース言語は「Fコード」（バイトコードの一種）にコンパイルされ、それを仮想機械が解釈実行する。他にPコードマシンなどがある。

テンプレート:仮リンクはコンパイラを通さなくとも生成でき、バイトコードインタプリタと同様の方法でカスタマイズされたインタプリタでの適切なアルゴリズム的制御構造を記述できる。

抽象構文木インタプリタ

インタプリタとコンパイラの中間的手法の1つとして、ソースコードを最適化された抽象構文木 (AST) に変換し、その木構造にしたがってプログラムを実行するか、実行時コンパイラでの機械語コード生成に使用する方法がある[4]。この方式では各文を1回だけ構文解析する必要がある。バイトコードに比べると、ASTではプログラムの全体的構造や文と文の関係を保持でき（それらはバイトコードでは失われる）、圧縮するとさらにコンパクトな表現になる[5]。そのため、実行時コンパイラにとってはバイトコードよりもASTの方が優れた中間表現だとして提案されてきた。また、実行時の解析もより優れたものにできる。

しかし、ASTはバイトコードよりも冗長であるため、インタプリタとしてはオーバーヘッドが大きくなるという問題がある[6]。CRubyの場合は、1.8までは構文木インタプリタであったが、1.9では（開発中にはYARVと呼ばれていた）バイトコードインタプリタに入れ替えられ、性能が向上した。

実行時コンパイル

インタプリタとコンパイラの境界をさらにぼやけさせる方式として、中間表現を実行時コンパイラ (JIT) でコンパイルし、実行時にネイティブの機械語にコンパイルする技法がある。これはネイティブなコードの実行効率を実現する代わり、ASTやバイトコードを最初にコンパイルする際に起動時間やメモリ使用量が増大するという欠点がある。これを補う技法としてテンプレート:仮リンクがあり、インタプリタが実行中のプログラムを性能解析して最も頻繁に実行される部分をネイティブのコードにコンパイルする。これらの技法は1980年代のSmalltalkなどの言語で使われ始めた[7]。

実行時コンパイルは近年多くの言語処理系で採用されており、Java、.NET Framework、最近のJavaScriptの実装でもJITが採用されている。

応用

  • インタプリタは、コマンドライン用言語やグルー言語でよく使われている。
  • 自己書き換えコードはインタプリタでは容易に実装できる。これはLISPと人工知能研究がインタプリタの起源であったこととも関係している。
  • 仮想機械を使って、あるアーキテクチャを別のアーキテクチャ上で実行させる仮想化は、基本的にインタプリタである。
  • サンドボックス: インタプリタまたは仮想機械はソースコードの命令を全て実際に実行することを強制されない。特にセキュリティを脅かすような処理の実行は拒否できる。

デバッグ、教育用インタプリタ

通常C言語はコンパイラで処理されるが、デバッグ目的および教育目的のインタプリタ型のC言語の処理系もある。MS-DOS時代に、いくつかの製品が提供されていた。C-Terpなどがその様な製品の例である。C/C++のインタプリタはほかにCINTやChがある。

パンチカードのインタプリタ

パンチカードシステムにおいて、パンチカードを読み込んで、その内容を人間が読める形式（文字）でパンチカード上に印字する機械をインタプリタと呼ぶ。例えば、IBM 550 Numeric Interpreter (1930) や IBM 557 Alphabetic Interpreter (1954) がある。

インタプリタ型の処理系が一般的なプログラミング言語

インタプリタとコンパイラ方式が併用の物

インタプリタもコンパイラもどちらもよく使われる物

  • LISP
  • Groovy (JVM上で動作するが、Javaと対比しインタプリタ方式での利用が多い)

脚注

テンプレート:Reflist

関連項目

外部リンク

テンプレート:FOLDOC
  1. ↑ この意味では、CPUは機械語インタプリタであると見ることができる。
  2. ↑ 伊藤 潔、interpreter and virtual machine : インタプリタと仮想機械、2007年4月22日
  3. ↑ ポール・グレアムの『ハッカーと画家』（原著 Hackers & Painters, p.185）によれば、マッカーシーは「ラッセルは『ねえ、この eval をプログラムしようか』と言った。…私は『ほう、ほう。君は理論と実際を混同している。この eval は読み物として書いたもので、実際に動かすために書いたものじゃない』と答えた。しかし彼はそれをやってのけた。つまり彼は私の論文にある eval を IBM 704 の機械語にコンパイルして、バグを修正し、それをLISPインタプリタだと宣伝したし、実際それはそのとおりだった。だからその時点でLISPは今日のような形態を本質的に備えていた」と述べたという。
  4. ↑ AST intermediate representations, Lambda the Ultimate forum
  5. ↑ A Tree-Based Alternative to Java Byte-Codes, Thomas Kistler, Michael Franz
  6. ↑ Annoucing SquirelFish
  7. ↑ L. Deutsch, A. Schiffman, Efficient implementation of the Smalltalk-80 system, Proceedings of 11th POPL symposium, 1984.
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