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Ruby プログラムを高速に 実行するための処理系の開発

Ruby プログラムを高速に 実行するための処理系の開発. 日本 Ruby の会 （東京農工大学 大学院） ささだ　こういち. 2005 2/19 IPA 未踏ユース 成果報告会. 発表概要. 背景 目標 Ruby の特徴 設計と実装 最適化手法 現時点での性能評価 まとめ. Smithsonian National Museum of Natural History. 背景. オブジェクト指向スクリプト言語 Ruby http://www.ruby-lang.org 使いやすいと評判 世界中で広く利用

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Ruby プログラムを高速に 実行するための処理系の開発

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Presentation Transcript

  1. Rubyプログラムを高速に実行するための処理系の開発Rubyプログラムを高速に実行するための処理系の開発 日本Rubyの会 （東京農工大学 大学院） ささだ　こういち 2005 2/19 IPA 未踏ユース 成果報告会

  2. 発表概要 • 背景 • 目標 • Ruby の特徴 • 設計と実装 • 最適化手法 • 現時点での性能評価 • まとめ Smithsonian National Museum of Natural History

  3. 背景 • オブジェクト指向スクリプト言語Ruby • http://www.ruby-lang.org • 使いやすいと評判 • 世界中で広く利用 • Ruby-talk ML では一日に百通以上 • 最近 Ruby on Rails が人気 • 日本発（主開発者：まつもとゆきひろ（Matz）氏） • 日本発で世界に通用する数少ないソフトウェア • コミュニティ活動も活発 • 日本Rubyの会 • Rubyist Magazine

  4. 背景: Rubyist Magazine 0005 (Feb. 2005) http://jp.rubyist.net/magazine/

  5. 背景: 現状の問題点 • 既存のRuby処理系は遅い • たしかに遅いところも • 誤った常識の流布 「Rubyって遅いんでしょ？　使えないよ」 • あなたが思うほど遅くありません • 高速化の必要性 • Ruby の処理系は魔法（by Matz） • 魔法みたいな処理系のソースコード • ソースコード整理の必要性

  6. 背景: 今までの試み • 他の言語はどうしているの？ • バイトコード（仮想マシン型）処理系が適当 • Lisp, Java, .NET, Smalltalk 処理系など • いくつかのRubyバイトコード処理系→不十分 • まつもと氏 平成12年度未踏ソフトウェア創造事業 • 不完全（命令が不十分・コンパイラも無い） • ByteCodeRuby (George Marrows氏) • 現状のRuby処理系よりも遅い→ プロジェクト終了 • その他、作りかけばかり（新しいプロジェクトは増える）

  7. 提案：Rubyプログラムを高速に実行するための処理系の開発提案：Rubyプログラムを高速に実行するための処理系の開発 • VM命令セットの設計 • コンパイラの設計・開発 • 仮想機械(RubyVM)の設計・開発 • JIT (Just In Time), AOT (Ahead of Time) コンパイラ YARV: Yet Another Ruby VM として開発中（オープンソースソフトウェア）

  8. 目標設定 • 世界一速いRuby処理系 • 基本性能で2倍、JITコンパイラでは5倍 AOTコンパイラでは10倍の性能向上を目指す • 世界中の人に使ってもらえるように • RubyVM としての十分な機能を実装 • いずれは次期Rubyの公式実装 Rite に • Ruby2.0 処理系 Rite（現在 1.9.0 開発中） • 本プロジェクトが成功すれば YARV を Rite として採用

  9. Rubyの特徴 • インタプリタ • クラスベースのオブジェクト指向 • ダイナミック • すべてがオブジェクト・実行時に再定義可能 • Evil Eval • プログラミングは楽に、冗長に • 例外処理など大域ジャンプ可能 • スレッドのサポート • Cによる拡張ライブラリ開発が容易 どれだけ無駄を 省けるかが勝負

  10. YARV 概要 • 単純なスタックマシン • 拡張ライブラリとして実装 • 既存のRuby と連携して機能を利用 • 今回新しく作り直さない • ガーベージコレクタ • Ruby Script パーサ • Ruby C API が使える • 大部分，Ｃ言語で実装

  11. デモ

  12. YARVの全体像 Ruby Interpreter 拡張ライブラリとして利用 YARV Ruby API を利用 コンパイラ 作る VM 生成系 VM AOT コンパイラ JIT コンパイラ

  13. YARVの動作の流れ Ruby プログラム コンパイラ AOT コンパイラ YARV 命令列 C プログラム JIT コンパイラ C コンパイラ 機械語 拡張ライブラリ VM（実行）

  14. 今までなぜ遅かったのか？ Ruby プログラム 抽象構文木 a = a = a = a = b + c メソッド 呼び出し（＋） メソッド 呼び出し（＋） メソッド 呼び出し（＋） 現在の Ruby は 構文木を直接実行 b c b b c c

  15. YARV はなぜ速いのか？ a b+c Ruby プログラム a = b + c b c YARV 命令列 c b b+c getlocal b getlocal c send + setlocal a YARV スタックマシン

  16. YARV命令セット • Ruby プログラムを表現できる命令セットを定義 • スタック制御、フロー制御、メソッド定義、・・・ # Ruby program print(“Hello”) # YARV 命令列 putself putstring “Hello” send :print, 1 コンパイル

  17. 命令記述フォーマット • 命令記述フォーマットを定義 • 各命令をこのフォーマットで記述 • 具体的な記述部分は C • いくつか変数を宣言 • VM 実装が非常に楽に • いろいろと自動生成

  18. 命令記述によるVM生成 • 命令記述から生成されるもののまとめ 命令記述 約2000 行 約60命令分 AOT コンパイラ C プログラム 逆アセンブラ ドキュメント VM (22000行・約400命令) これから実装 アセンブラ コンパイラ （主に最適化器） ベリファイア

  19. VM概要 • 5 つのレジスタ • PC: プログラムカウンタ • SP: スタックポインタ • LFP: ローカルフレームポインタ • DFP: ダイナミックフレームポインタ • CFP: コントロールフレームポインタ • 3つのスタックフレーム • メソッド・クラス・ブロックスコープを管理

  20. VM概要 –例外処理 • 例外処理用テーブルを利用 従来の処理系（before) YARV （after） begin … rescue … end ここで毎回 setjmp begin … rescue … end なにもしない 例外が起きたら スタック巻き戻し ＆例外テーブルチェック 例外が起きたら そこで longjmp

  21. YARV での最適化（高速化）　一般論 • 冗長性の除去 • 一度やったことは二度しない（キャッシュなど） • 計算強度の軽減 • もっと簡単にやろう • トレードオフ • 頻繁に実行するものを速く • その代わりあんまり実行しないものを遅く • マシン（その他）に依存の最適化 • マシンレジスタの利用，分岐予測の考慮，コンパイラの最適化の予測（確認）

  22. YARVでの最適化 • インラインキャッシュ • 命令オペランドにデータを埋め込み，キャッシュ • 定数アクセス • 定数 A へのアクセスは遅い • A::B::C は4命令必要（定数アクセスが３回も） • 各定数アクセスも結構遅い • メソッド検索 • 現在のRuby処理系は1つのハッシュでキャッシュ

  23. 定数アクセスの最適化 Ruby プログラム A::B::C getinlinecache putnil getconstant A getconstant B getconstant C setinlinecache コンパイル 最適化 putnil getconstant A getconstant B getconstant C 2回目以降の実行をスキップ

  24. YARVでの最適化(cont.) • スタックキャッシング • スタックトップの2つをキャッシュ • 5状態 • 命令数は5倍（各状態ごとに命令を用意） • putself_xx_ax • putself_ax_ab • putself_bx_ba • putself_ab_ba • putself_ba_ab

  25. YARV 命令列 getlocal v2 getlocal v3 send + setlocal v1 スタックキャッシングはなぜ早いのか v1 b+c Reg A Ruby プログラム b+c v2 regA v1 = v2 + v3 v2 Reg B YARV命令列(SC) regB v3 v3 getlocal_xx_ax v2 getlocal_xx_ab v3 send_ab_ax + setlocal_ax_xx v1 スタック操作無し！ YARV スタックマシン

  26. YARVでの最適化(cont.) • 命令融合 • 頻出する連続した命令列を1命令に • putobject putobject → putobject_x2 • オペランド融合 • putobject true → puttrue • 融合するものを指定すれば，自動的に生成 • 命令記述を解析すれば可能 • コンパイラ（変換器）も自動生成 • プロファイラ

  27. YARVでの最適化(cont.) • 特化命令 • 単純な命令を特殊化 • a + b → opt_plus if（a と b は整数か？） if（整数の + メソッドは再定義されていないか？） return a+b; 通常のメソッド呼び出し a.+(b) を実行

  28. 最適化を含むコンパイラの仕事まとめ Ruby スクリプト Ruby パーサ 構文木 YARV 命令列 基本コンパイラ 特化命令最適化 スタックキャッシュ命令 に変換 オペランド融合最適化 命令融合最適化 その他最適化 YARV コンパイラ

  29. JIT コンパイラ • 実行時に YARV 命令列を機械語に変換 • コードを切り貼り（機械語を直に触りたくない） • Intel i386で、いくつかの命令だけ対応 VM評価関数 の実体 （機械語） YARV 命令列 A B C JIT コンパイル 機械語コード A を処理するところ A を処理するところ コピー B を処理するところ B を処理するところ C を処理するところ C を処理するところ

  30. JIT コンパイラ (cont.) • コピーするとき、相対ジャンプしている命令は書き換えなければならない • VM 評価関数を同じものを2つ作り、機械語（オペランド)レベルで違いがあれば書き換え VM評価関数 の実体　1 VM評価関数 の実体　2 比較 A を処理するところ A を処理するところ

  31. AOT コンパイラ • Ruby プログラムを C プログラムに変換 • 命令記述を変換して貼りつけ（テキスト処理） • ほぼすべての命令に対応 YARV 命令列 A B C 命令記述 AOT コンパイル C プログラム A を処理する記述 A を処理する記述 コピー B を処理する記述 B を処理する記述 C を処理する記述 C を処理する記述

  32. ベンチマーク結果 • 評価環境 • (1) CPU: Intel Celeron 1.7GHz, Mem: 512MB OS: Windows2000 + Cygwin 1.52 • (2) CPU: AMD 64 2.4GHz, Mem: 1024MB OS: Linux amd64 2.6.5-1.358 (Fedora Core 2) • コンパイラ: gcc (GCC) 3.3.3 • コンパイラオプション：-O2 -f-no-crossjumping • 比較対象の ruby 1.9.0 (2005-02-17)

  33. ベンチマーク結果(cont.)

  34. ベンチマーク結果(cont.)

  35. ベンチマーク結果(cont.) AOT コンパイラの効果 メソッド呼び出しが本質的に遅い （バックトレース用情報などが必要になるため） 高速化手法を検討中

  36. ベンチマーク結果(cont.) JIT コンパイラ def m 1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1 end jitcompile(self, :m) i=0 while i<1000000 i+=1 m end normal YARV: 0.454000 0.000000 0.454000 ( 0.443000) JITed YARV: 0.375000 0.000000 0.375000 ( 0.398000) #=> 21% 高速化

  37. 成果物一覧 • YARV ソースコード • C ソースコード：17 ファイル　約 7500行 • Ruby ソースコード：5 ファイル 約 1200行 • 機能一覧 • ○：変数/制御構造・クラス/メソッド定義・メソッド呼び出し • ○：多くの組み込み関数・組み込みクラス • ○：高速化のためのさまざまな最適化 • △：yield（ブロック呼び出し/2.0仕様）/ defined? • ×：内部構造に関わる組み込み関数（Thread や send）

  38. 品質管理 • Ruby の各構文要素毎にユニットテストを作成 • 10 ファイル • テスト数：103、アサーション数：282 • ベンチマークプログラムの動作を確認 • ベンチマークプログラム数：53 • 速くなるのを見てニヤニヤする

  39. 対外発表など（YARV の宣伝） • 8月 LL weekend • 8月 まつもとさん訪問 • 10月 Ruby Conference 2004（バージニア） • 10月 関西オープンソース 2004 • 1月 プログラミングシンポジウム • 2月 RHG 読書会 • これから：3月 情報処理学会　全国大会 • これから：3月 オープンソースカンファレンス • これから：Rubyist Magazine vol. 6 （5月）～

  40. 開発スケジュール（過去） 7月　8月　9月　10月　11月　12月　1月　2月 見落とし発見 積み残し 命令設計 VM 設計 VM 設計 実装 VM 設計 実装 VM 実装 VM 基本部分最適化 AOT コンパイラ JIT コンパイラ 本業（研究会原稿）

  41. YARV 開発について（現在） • 0.1.1 released • ホームページ • http://www.atdot.net/yarv/ • インストール方法などもここに • メーリングリスト • Yarv-dev （日本語） • Yarv-devel （英語）

  42. 開発スケジュール（未来） • はやいうちに（来年度目標） • 現在の処理系と YARV の統合 • きちんとした JIT・AOT コンパイラ • Ruby 以外の言語 on YARV → YARV 可能性検証 • ほかいろいろ（アセンブラ、プリコンパイル、…） • できるだけはやいうちに • Ruby 2.0 （Rite） リリース • 夢 • YARV OS（with OSKit） • 組み込み機器向け YARV

  43. Ruby Interpreter 拡張ライブラリとして利用 評価器 YARV コンパイラ Ruby API を利用 VM JIT コンパイラ 現在の処理系と YARV の統合

  44. Ruby Interpreter - Ruby 2.0 (Rite) コンパイルされた 標準ライブラリ YARV 世代別 GC コンパイラ 多言語化 Selective Namespace VM … JIT コンパイラ 現在の処理系と YARV の統合

  45. 開発成果のまとめ 各種最適化により順調に高速化　10倍の性能も • 世界一速いRuby処理系 • 基本性能で2倍、JITコンパイラでは5倍 AOTコンパイラでは10倍の性能向上を目指す • 世界中の人に使ってもらえるように • RubyVM としての十分な機能を実装 現在はあまり速くなってない＆あまり対応できてない プリミティブはほぼ実装 大規模なプログラムはまだ デバッグデバッグ

  46. 反省点 • よかった点 ～ よくできました • いろいろと宣伝した • 考えていた最適化をいちおう全部試せた→知見を得た • 予想以上に高速化ができた→予想どおりに Ruby が遅かった • 悪かった点 ～ もうすこし頑張りましょう • 大規模アプリケーションの目標をきちんとたてなかった • ロードマップを明確化するべきだった • Ruby 2.0 の仕様にしたが、それだと動かないプログラムばっかり（現在の仕様に準拠すべきだった）

  47. おわり / ご清聴ありがとうございました • Special Thanks • IPA • Yarv-dev / Yarv-devel ML 参加者の皆様 • NaCl　まつもとゆきひろさん • 筑波大　前田敦司助教授 • 産総研　首藤一幸さん • And others • RHG 読書会参加者の皆様 • Ruby Hackers

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