熱血!Scala入門

自己紹介

shigemk2 でググってください某shigemk2ブログ毎日更新某読書会主催某社でシェル芸やってる

発表資料です http://shigemk2.github.io/kernelvm11/ ソースコードです http://shigemk2.github.io/scala_jvm/

今日はScala初心者がScalaのクラスファイルについて話します

各バージョン

Scala code runner version 2.11.6
javap 1.7.0_79
javac 1.7.0_79
java version "1.7.0_79" OpenJDK Runtime Environment

クラスファイルはScalaやJavaでコンパイルしたあとに出来る中間ファイルのことですこの本は名著熱血!アセンブラ入門にわりとインスパイヤされたパチモンです

熱血!アセンブラ入門P3より

Scalaのクラスファイルをフィーリングでなんとなく読んでみよう

Scalaのクラスファイルを読む前に、まずはJavaのクラスファイルをなんとなく読んでみる

JavaのHello, World

public class HelloWorldJava {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println("Hello, world.");
    }
}

コンパイルと逆アセンブルのコマンド


javac -g HelloWorldJava.java
javap -v -p HelloWorldJava

コマンドの詳細デバッグ情報を付与しつつコンパイル


javac -g HelloWorldJava.java

クラスファイルをプライベートメソッド、詳細情報つきで逆アセンブル


javap -v -p HelloWorldJava

逆アセンブル結果(一部)


Classfile /home/shigemk2/projects/github.com/shigemk2/scala_jvm/HelloWorldJava.class
  Last modified 2015/05/26; size 547 bytes
  MD5 checksum fe3b93e48c1c3ce255c71714786c4dcd
  Compiled from "HelloWorldJava.java"
public class HelloWorldJava
  SourceFile: "HelloWorldJava.java"
  minor version: 0
  major version: 51
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

クラスファイルのさっくりとした構成

基本的なところはJavaのクラスファイルもScalaのクラスファイルも変わりません

JavaのHello, Worldプログラムのクラスファイルを逆アセンブルしたものからざっくりとした構成を見ていきましょう

public class HelloWorldJava {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println("Hello, world.");
    }
}

コマンド

javac -g HelloWorldJava.java
javap -v -p HelloWorldJava

ざっくりとした構成: 前置き部分


Classfile /home/shigemk2/projects/github.com/shigemk2/scala_jvm/HelloWorldJava.class
  Last modified 2015/05/26; size 547 bytes
  MD5 checksum fe3b93e48c1c3ce255c71714786c4dcd
  Compiled from "HelloWorldJava.java"
public class HelloWorldJava
  SourceFile: "HelloWorldJava.java"
  minor version: 0
  major version: 51
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

ざっくりとした構成: 定数プール


Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#20         //  java/lang/Object."":()V
   #2 = Fieldref           #21.#22        //  java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #23            //  Hello, world.
   #4 = Methodref          #24.#25        //  java/io/PrintStream.println:
   #5 = Class              #26            //  HelloWorldJava
   #6 = Class              #27            //  java/lang/Object
   #7 = Utf8               
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               LHelloWorldJava;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               SourceFile
  #19 = Utf8               HelloWorldJava.java
  #20 = NameAndType        #7:#8          //  "":()V
  #21 = Class              #28            //  java/lang/System
  #22 = NameAndType        #29:#30        //  out:Ljava/io/PrintStream;
  #23 = Utf8               Hello, world.
  #24 = Class              #31            //  java/io/PrintStream
  #25 = NameAndType        #32:#33        //  println:(Ljava/lang/String;)V
  #26 = Utf8               HelloWorldJava
  #27 = Utf8               java/lang/Object
  #28 = Utf8               java/lang/System
  #29 = Utf8               out
  #30 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #31 = Utf8               java/io/PrintStream
  #32 = Utf8               println
  #33 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V

ざっくりとした構成: 本体

{
  public HelloWorldJava();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1
         4: return

前置きとか定数プールとかは無視して、本体のところだけ読んでいきます

まずは

Hello, World

Hello, World JavaとScalaを比べてみよう

Hello,World本体(Java)


public class HelloWorldJava {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println("Hello, world.");
    }
}

逆アセンブル結果


0: getstatic     #2 // クラスフィールド読み込み
3: ldc           #3 // 文字列読み込み
5: invokevirtual #4 // printlnメソッド呼び出し
8: return           // return void

Hello,World本体(Scala)


object HelloWorldScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    println("hello, world")
  }
}

逆アセンブル結果


0: getstatic     #19 // クラスフィールド読み込み
3: ldc           #21 // 文字列読み込み
5: invokevirtual #25 // printlnメソッド呼び出し
8: return            // return Unit

おんなじだ！

FYI: このクラスファイルをJD-GUIでデコンパイルすると


object HelloWorldScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    println("hello, world")
  }
}

逆アセンブル結果


0: getstatic     #19 // クラスフィールド読み込み
3: ldc           #21 // 文字列読み込み
5: invokevirtual #25 // printlnメソッド呼び出し
8: return            // return Unit

こうなる(コンパイル不可能)


import scala.Predef.;
public final class HelloWorldScala$ {
  public static final  MODULE$;
  static {
    new ();
  }
  public void main(String[] args) {
    Predef..MODULE$.println("hello, world");
  }
  private HelloWorldScala$() {
    MODULE$ = this;
  }
}

たぶんJD-GUIがうまくない

続きまして

加算プログラム


object PlusScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    var a = 1
    a = a + 2
  }
}

加算プログラムのソースコード

object PlusScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    var a = 1
    a = a + 2
  }
}

逆アセンブル結果(var a = 1 →a = a + 2)

0: iconst_1 // 0: 定数1→スタック
1: istore_2 // 1: スタックの値→ローカル変数2
2: iload_2  // 2: ローカル変数2→スタック
3: iconst_2 // 3: 定数2→スタック
4: iadd     // 4: スタックの値を加算
5: istore_2 // 5: 加算したスタックの値→ローカル変数2
6: return   // 6: return unit

加算プログラムのソースコード

object PlusScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    var a = 1
    a = a + 2
  }
}

このバイトコードは何をしているのだろうか。

0: iconst_1 // 0: 定数1→スタック
1: istore_2 // 1: スタックの値→ローカル変数2
2: iload_2  // 2: ローカル変数2→スタック
3: iconst_2 // 3: 定数2→スタック
4: iadd     // 4: スタックの値を加算
5: istore_2 // 5: 加算したスタックの値→ローカル変数2
6: return   // 6: return unit

加算プログラムの流れ

0: iconst_1 // 0: 定数1→スタック
1: istore_2 // 1: スタックの値→ローカル変数2
2: iload_2  // 2: ローカル変数2→スタック
3: iconst_2 // 3: 定数2→スタック
4: iadd     // 4: スタックの値を加算
5: istore_2 // 5: 加算したスタックの値→ローカル変数2
6: return   // 6: return unit

なおJavaでは

public class PlusJava {
    public static void main(String[] args){
        int a = 1;
        a = a + 2;
    }
}

逆アセンブル結果

0: iconst_1 // 0: 定数1→スタック
1: istore_1 // 1: スタックの値→ローカル変数1
2: iload_1  // 2: ローカル変数1→スタック
3: iconst_2 // 3: 定数2→スタック
4: iadd     // 4: スタックの値を加算
5: istore_1 // 5: 加算したスタックの値→ローカル変数1
6: return   // 6: return void

加算プログラムの流れ Java

0: iconst_1 // 0: 定数1→スタック
1: istore_1 // 1: スタックの値→ローカル変数1
2: iload_1  // 2: ローカル変数1→スタック
3: iconst_2 // 3: 定数2→スタック
4: iadd     // 4: スタックの値を加算
5: istore_1 // 5: 加算したスタックの値→ローカル変数1
6: return   // 6: return void

加算プログラム比較 Scala vs Java Scala

Java

ポイント

スタックとローカル変数間でデータのやりとりをしている
クラスファイルにはレジスタがない
Scalaのメソッドはstaticじゃないので、ローカル変数に最初からthisとargsが入る
Javaのstaticメソッドの場合はローカル変数に入るのはargsのみ(JavaでもstaticじゃないメソッドはScalaと同じくローカル変数に最初からthisとargsが入る)

続きまして

関数呼び出し

object MethodScala {
  def method(a: Int): Int = {
    a
  }
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    val a = 1
    method(a)
  }
}

関数呼び出し

object MethodScala {
  def method(a: Int): Int = {
    a
  }
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    val a = 1
    method(a)
  }
}

逆アセンブル method

0: iload_1 // スタック1に積む
1: ireturn // return Int
LocalVariableTable:
  Start  Length  Slot  Name   Signature
         0       2     0  this   LMethodScala$;
         0       2     1     a   I

逆アセンブル main

0: iconst_1 // val a = 1
1: istore_2 // ローカル変数2に積む
2: aload_0  // thisをスタック0に積む
3: iload_2  // スタック2に積む
4: invokevirtual #21                 // Method method:(I)I
7: pop // スタック除去
8: return // return Unit
LocalVariableTable:
  Start  Length  Slot  Name   Signature
         0       9     0  this   LMethodScala$;
         0       9     1  args   [Ljava/lang/String;
         2       6     2     a   I

ポイント

必要な引数をスタックに積み、ローカル変数に積んでから、メソッドを呼び出す
メソッドを呼び出すタイミングでローカル変数の値が使われる
最後にpopでスタックの値を除去してる

続きまして

関数呼び出しその2: 2つの引数

関数呼び出し

object Method2Scala {
  def method(a: Int, b: Int): Int = {
    a + b
  }
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    val a = 100
    val b = 200
    method(a, b)
  }
}

関数呼び出し

object Method2Scala {
  def method(a: Int, b: Int): Int = {
    a + b
  }
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    val a = 100
    val b = 200
    method(a, b)
  }
}

逆アセンブル method

0: iload_1 // val aをスタックに積む
1: iload_2 // val bをスタックに積む
2: iadd    // a + bしてローカル変数にうつす
3: ireturn // return
LocalVariableTable:
  Start  Length  Slot  Name   Signature
         0       4     0  this   LMethod2Scala$;
         0       4     1     a   I
         0       4     2     b   I

逆アセンブル main

0: bipush        100  // val a = 100
2: istore_2           // val a をローカル変数に積む
3: sipush        200  // val b = 200
6: istore_3           // val b をローカル変数に積む
7: aload_0            // this
8: iload_2            // val aをスタックに積む
9: iload_3            // val bをスタックに積む
10: invokevirtual #22 // Method method:(II)I
13: pop               // スタック除去
14: return
LocalVariableTable:
  Start  Length  Slot  Name   Signature
         0      15     0  this   LMethod2Scala$;
         0      15     1  args   [Ljava/lang/String;
         3      11     2     a   I
         7       7     3     b   I

ポイント

必要な引数をスタックに積み、ローカル変数に積んでから、メソッドを呼び出す、という流れは引数が増えても一緒
引数が増えるぶん、ローカル変数に格納される値の数も増える
でかい値のスタック積みだとbipushとかsipushとかが使われる

続きまして

ArrayとList

Array

object ArrayScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    Array(1, 2, 3)
  }
}

List

object ListScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    List(1, 2, 3)
  }
}

Arrayのコード

object ArrayScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    Array(1, 2, 3)
  }
}

Arrayの逆アセンブル結果

0: iconst_3
1: newarray       int // 配列作成
3: dup
4: iconst_0
5: iconst_1
6: iastore            // 配列要素0格納
7: dup
8: iconst_1
9: iconst_2
10: iastore           // 配列要素1格納
11: dup
12: iconst_2
13: iconst_3
14: iastore           // 配列要素2格納
15: pop
16: return

Listのコード

object ListScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    List(1, 2, 3)
  }
}

Listの逆アセンブル結果

0: getstatic     #19   // Field scala/collection/immutable/List(略)
3: getstatic     #24   // Field scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
6: iconst_3
7: newarray       int  // 配列作成
9: dup
10: iconst_0
11: iconst_1
12: iastore            // 配列要素0格納
13: dup
14: iconst_1
15: iconst_2
16: iastore            // 配列要素1格納
17: dup
18: iconst_2
19: iconst_3
20: iastore            // 配列要素2格納
21: invokevirtual #28  // Method scala/Predef$.wrapIntArray(略)
24: invokevirtual #32  // Method scala/collection/immutable/List$.apply(略)
27: pop
28: return

ポイント

配列作成はnewarrayからのiconstしてiastoreの繰り返し
ArrayもListもベースは一緒
Arrayは素の配列
Listはなんかクラスやメソッド呼び出してる

続きまして

Interface vs Trait

Interface

interface Interface {
    String method(String a, String b);
}
public class InterfaceJava implements Interface {
    public String method(String a, String b) {
        return a + b;
    }
    public static void main(String[] args){
        InterfaceJava a = new InterfaceJava();
    }
}

Trait

trait Trait {
  def method(a:String, b:String): String
}
class TraitScala extends Trait {
  def method(a:String, b:String): String = {
    a + b
  }
}
object TraitScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    val a = new TraitScala()
  }
}

どっちも2つのクラスファイルが出てくるけど、InterfaceとTraitのほうをみます。

interface Interface {
    String method(String a, String b);
}
public class InterfaceJava implements Interface {
    public String method(String a, String b) {
        return a + b;
    }
    public static void main(String[] args){
        InterfaceJava a = new InterfaceJava();
    }
}

trait Trait {
  def method(a:String, b:String): String
}
class TraitScala extends Trait {
  def method(a:String, b:String): String = {
    a + b
  }
}
object TraitScala {
  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    val a = new TraitScala()
  }
}

Interface

interface Interface {
    String method(String a, String b);
}

Interface逆アセンブル

{
  public abstract java.lang.String method(java.lang.String, java.lang.String);
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_ABSTRACT
}

Trait

trait Trait {
  def method(a:String, b:String): String
}

Trait逆アセンブル

{
  public abstract java.lang.String method(java.lang.String, java.lang.String);
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_ABSTRACT
}

ポイント

TraitもInterfaceもバイトコード的には中身がいっしょ

続きまして

このあたりからコードが長くなって読みづらくなっております

再帰

object FactorialScala {
  def fact(n: Int): Int = n match {
    case 0 => 1
    case n if n > 0 => n * fact(n - 1)
  }

  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    fact(5)
  }
}

コード

def fact(n: Int): Int = n match {
    case 0 => 1
    case n if n > 0 => n * fact(n - 1)
}

逆アセンブル

0: iload_1
1: istore_2
2: iload_2
3: tableswitch   { // 0 to 0          // パターンマッチのキモ
               0: 49                  // n = 0 なら49に飛んでreturn 1
         default: 20                  // それ以外なら次に進む
    }
20: iload_2
21: iconst_0
22: if_icmple     37                  // n < 0 ならエラー
25: iload_2                           // n * fact(n - 1) 部分の用意
26: aload_0
27: iload_2
28: iconst_1
29: isub                              // n * fact(n - 1) 部分の用意
30: invokevirtual #16                 // Method fact:(I)I
33: imul
34: goto          50
37: new           #18                 // class scala/MatchError
40: dup
41: iload_2
42: invokestatic  #24 // Method scala/runtime/BoxesRunTime.(略)
45: invokespecial #27 // Method scala/MatchError."":(略)
48: athrow
49: iconst_1
50: ireturn

ポイント

Javaのswitch文プログラムはtableswitchに逆アセンブル
ScalaのパターンマッチはJVM的にはSwitch
再帰が終わるまでスタックを積む動作をしているもよう

続きまして

末尾再帰

object FactorialTAScala {
  def fact(n: Int): Int = {
    def go(n: Int, acc: Int): Int =
      if (n <= 0) acc
      else go(n - 1, n * acc)
    go(n, 1)
  }

  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    fact(5)
  }
}

コード

object FactorialTAScala {
  def fact(n: Int): Int = {
    def go(n: Int, acc: Int): Int =
      if (n <= 0) acc
      else go(n - 1, n * acc)
    go(n, 1)
  }

  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    fact(5)
  }
}

逆アセンブル

0: aload_0
1: iload_1
2: iconst_1                          // go(n, 1)の用意
3: invokespecial #18                 // Method go$1:(II)I
6: ireturn

逆アセンブル

0: iload_1
1: iconst_0
2: if_icmpgt     7
5: iload_2
6: ireturn
7: iload_1
8: iconst_1
9: isub
10: iload_1
11: iload_2
12: imul
13: istore_2
14: istore_1
15: goto          0

コード

object FactorialTAScala {
  def fact(n: Int): Int = {
    def go(n: Int, acc: Int): Int =
      if (n <= 0) acc
      else go(n - 1, n * acc)
    go(n, 1)
  }

  def main(args: Array[String]) :Unit = {
    fact(5)
  }
}

逆アセンブル

0: aload_0
1: iload_1
2: iconst_1
3: invokespecial #18                 // Method go$1:(II)I
6: ireturn

逆アセンブル

0: iload_1
1: iconst_0
2: if_icmpgt     7  // n <= 0 だと終了
5: iload_2
6: ireturn
7: iload_1          // go(n - 1, n * acc)の用意
8: iconst_1
9: isub
10: iload_1
11: iload_2
12: imul
13: istore_2        // オペランドスタックをローカル変数に引っ込めている
14: istore_1        // go(n - 1, n * acc)の用意
15: goto          0 // もとに戻る

ポイント

普通の再帰と比べてアセンブルも短め
goを呼び出すたびにスタックのデータをローカル変数に引っ込めているので、fact(巨大数)でもスタックオーバーフローにならない

続きまして

まとめ

JavaとScalaはなんとなく似ているが、メソッドまわりで微妙に違うことを思い…出した
クラスファイルをなんとなく読むのは間違っていただろうか
なんとなく読むこととなんとなく読ませることは絶望的に違う

最後に

なんかマサカリ下さい

おしまい