C言語で部分適用したい！(実は、できるアーキテクチャがあるんです)
通常、C言語の関数ポインタは、クロージャではない。したがって、関数を部分適用したり、カリー化したり、ローカル変数をキャプチャーした関数ポインタを返したりすることはできない。しかし、実際にC言語が動作する環境のなかには、そのようなことが実現できるものがある。PowerPC64 System V ABIは、そのひとつである。
PowerPC64 System V ABI
多くのABIでは、関数ポインタは関数の最初の命令のアドレスに翻訳されるが、PowerPC64 System V ABIはそれとは異なる定義をしている。具体的には、関数ポインタは以下のような構造体
struct Funptr { void *jump_target; /* ジャンプ先 */ void *initial_r2; /* TOCベース。ジャンプ前に %r2 レジスタに代入される値 */ void *initial_r11; /* 環境ポインタ。ジャンプ前に %r11 レジスタに代入される値 */ };
へのポインタ (すなわち struct Funptr*) である。
この3番目の要素はプログラミング言語の要請に応じて使ってよい。C言語自体は環境ポインタを使わないが、関数ポインタを呼ぶさいは環境ポインタが考慮される。
そのため、アセンブリを用いて以下のようなコードを書くことができる。以下は、乗算演算子を部分適用する multiply 関数を用いてかけ算九九を出力するコードである。
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int (*multiply(int x))(int); int main() { int (*f[10])(int); for(int x = 0; x < 10; ++x) { f[x] = multiply(x); } for(int x = 0; x < 10; ++x) { for(int y = 0; y < 10; ++y) { printf("%d * %d = %d\n", x, y, f[x](y)); } } for(int x = 0; x < 10; ++x) { free(f[x]); } return 0; }
この multiply はアセンブリで以下のように書ける。
.globl multiply multiply: mflr %r0 std %r0, 16(%r1) stdu %r1, -96(%r1) std %r3, 88(%r1) li %r3, 24 bl malloc nop ld %r5, 88(%r1) addis %r4, %r2, multiply2@toc@ha addi %r4, %r4, multiply2@toc@l std %r4, 0(%r3) std %r2, 8(%r3) std %r5, 16(%r3) addi %r1, %r1, 96 ld %r0, 16(%r1) mtlr %r0 blr multiply2: mulld %r3, %r3, %r11 blr
これを実行すると、以下のようになる。
$ powerpc64-linux-gnu-gcc -std=c99 -static main.c multiply.s $ qemu-ppc64 ./a.out 0 * 0 = 0 0 * 1 = 0 0 * 2 = 0 0 * 3 = 0 0 * 4 = 0 0 * 5 = 0 0 * 6 = 0 0 * 7 = 0 0 * 8 = 0 0 * 9 = 0 1 * 0 = 0 1 * 1 = 1 1 * 2 = 2 1 * 3 = 3 1 * 4 = 4 1 * 5 = 5 1 * 6 = 6 1 * 7 = 7 1 * 8 = 8 1 * 9 = 9 2 * 0 = 0 2 * 1 = 2 2 * 2 = 4 2 * 3 = 6 2 * 4 = 8 2 * 5 = 10 2 * 6 = 12 2 * 7 = 14 2 * 8 = 16 2 * 9 = 18 3 * 0 = 0 3 * 1 = 3 3 * 2 = 6 3 * 3 = 9 3 * 4 = 12 3 * 5 = 15 3 * 6 = 18 3 * 7 = 21 3 * 8 = 24 3 * 9 = 27 4 * 0 = 0 4 * 1 = 4 4 * 2 = 8 4 * 3 = 12 4 * 4 = 16 4 * 5 = 20 4 * 6 = 24 4 * 7 = 28 4 * 8 = 32 4 * 9 = 36 5 * 0 = 0 5 * 1 = 5 5 * 2 = 10 5 * 3 = 15 5 * 4 = 20 5 * 5 = 25 5 * 6 = 30 5 * 7 = 35 5 * 8 = 40 5 * 9 = 45 6 * 0 = 0 6 * 1 = 6 6 * 2 = 12 6 * 3 = 18 6 * 4 = 24 6 * 5 = 30 6 * 6 = 36 6 * 7 = 42 6 * 8 = 48 6 * 9 = 54 7 * 0 = 0 7 * 1 = 7 7 * 2 = 14 7 * 3 = 21 7 * 4 = 28 7 * 5 = 35 7 * 6 = 42 7 * 7 = 49 7 * 8 = 56 7 * 9 = 63 8 * 0 = 0 8 * 1 = 8 8 * 2 = 16 8 * 3 = 24 8 * 4 = 32 8 * 5 = 40 8 * 6 = 48 8 * 7 = 56 8 * 8 = 64 8 * 9 = 72 9 * 0 = 0 9 * 1 = 9 9 * 2 = 18 9 * 3 = 27 9 * 4 = 36 9 * 5 = 45 9 * 6 = 54 9 * 7 = 63 9 * 8 = 72 9 * 9 = 81
FAQ
Q. つまりPowerPC64がすごいということか？
A. そうではない。これは「C言語のコードを機械語にどのように翻訳するか」という決まり事、すなわちABIに関する話である。LinuxのPowerPC64版においてたまたま上記のようであったというだけであり、この特徴はPowerPC64というCPUアーキテクチャ自身の性質とは関係ない。したがって、同様にPowerPC64のCPU上で動作するシステムであっても、上で述べたようなことが成り立たない可能性もある。
