Сколько нужно примитивов для реализации форт системы?

в 1:39, , рубрики: forth, ненормальное программирование

В 1992-м году проходил очередной конкурс по обфусцированному программированию на языке С. Один из представленных проектов был небольшой форт системой. Меня поразило, что виртуальная машина была реализована всего в 794 байтах С кода. Остальная часть форт системы загружалась из исходника на форте. После изучения проекта первоначальный восторг уступил место разочарованию, так как автор использовал не совсем “честный” трюк: для парсинга фортового исходника он использовал функцию scanf(). С этого момента меня терзал вопрос — сколько нужно примитивов для реализации форт системы без подобных трюков?

Через некоторое время я познакомился с форт системой sod32 написанной Lennart Benschop. У этой форт системы виртуальная машина написана на С, а двоичный образ, который загружается в виртуальную машину, не зависит от порядка байтов в слове хост системы. sod32 имеет 32 примитива, вот они:

NOOP ( --- ) Do nothing
SWAP ( x1 x2 --- x2 x1 ) Swap the two top items on the stack.
ROT ( x1 x2 x3 --- x2 x3 x1 ) Rotate the three top items on the stack.
0= ( x --- f) f is true if and only if x is 0.
NEGATE ( n1 --- -n1) Negate top number on the stack.
UM* ( u1 u2 --- ud ) Multiply two unsigned numbers, giving double result.
C@ ( c-addr --- c) Fetch character c at c-addr.
@ ( a-addr --- x) Fetch cell x at a-addr.
+ ( w1 w2 --- w3) Add the top two numbers on the stack.
AND ( x1 x2 --- x3) Bitwise and of the top two cells on the stack.
OR ( x1 x2 --- x3) Bitwise or of the top two cells on the stack.
XOR ( x1 x2 --- x3) Bitwise exclusive or of the top two cells on the stack.
U< ( u1 u2 ---- f) f is true if and only if unsigned number u1 is less than u2.
< ( n1 n2 --- f) f is true if and only if signed number n1 is less than n2.
LSHIFT ( x1 u --- x2) Shift x1 left by u bits, zeros are added to the right.
RSHIFT ( x1 u --- x2) Shift x1 right by u bits, zeros are added to the left.
UM/MOD ( ud u1 --- urem uquot) Divide the unsigned double number ud by u1, giving unsigned quotient and remainder.
+CY ( n1 n2 cy1 --- n3 cy2) Add n1 and n2 and the carry flag cy1 (must be 0 or 1) giving sum n3 and carry flag cy2. (n3 cy2 can be seen as a double number)
SCAN1 ( x d --- u) Scan x for the first 1 bit. u is the position of that bit (counted from the scan direction) and 32 if x=0. d is the scan direction, 0 is left-to-right, 1 is right-to-left.
SPECIAL ( x ---) Any of a large number of special instructions, indicated by x.
DROP ( x ---) Discard the top item on the stack.
>R ( x ---) Push x on the return stack.
C!A ( c c-addr --- c-addr) Store character c at c-addr, keep address.
!A ( x a-addr --- a-addr) Store cell x at a-addr, keep address.
DUP ( x --- x x ) Duplicate the top cell on the stack.
OVER ( x1 x2 --- x1 x2 x1) Copy the second cell of the stack.
R@ ( --- x) x is a copy of the top of the return stack.
R> ( --- x) Pop the top of the return stack and place it on the stack.
0 ( --- 0) The constant number 0.
1 ( --- 1) The constant number 1.
4 ( --- 4) The constant number 4.
LIT ( --- lit) Push literal on the stack (literal number is in-line).


Я понял, что у меня появился шанс найти ответ на свой вопрос и я начал превращать примитивы в высокоуровневые определения. Хочу сразу отметить, что вся эта деятельность имеет чисто академический смысл. Применить полученные результаты на практике вряд ли получится из-за потери производительности. В процессе своих экспериментов я отслеживал изменения размера двоичного образа форт системы и время выполнения набора тестов за авторством John Hayes. Новый двоичный образ я строил командой

echo 'S" extend-cross.4" INCLUDED '|./sod32 kernel.img

а тесты запускал вот так:

time ./sod32 kernel.img <<< $(echo -e 'S" tester.fr" INCLUDEDn12345nBYE')

В таблице ниже вы можете увидеть как каждое изменение повлияло на размер и производительность. Ссылки из колонки «изменение» ведут на соответствующий коммит в гитхабе.

изменение размер kernel.img время исполнения tester.fr
original sod32 10164 0m0.059s
lshift, rshift 10312 0m0.071s
+, um*, um/mod 11552 0m0.123s
c@, c!a 11952 0m0.795s
0=, negate <, u< 12340 0m2.800s
drop 12784 0m5.022s
swap, rot, over 13436 0m5.860s
sp@, sp!, rp@, rp!, dup 13680 0m8.696s
r@, r>, >r 14160 0m15.463s
and, or, xor 14336 0m21.198s
0, 1, 4 15236 0m21.671s
0branch 15912 0m41.765s

В итоге размер двоичного образа форт системы увеличился с 10164 до 15912 (+57%), производительность упала в 708 раз (почти 3 порядка). Возможно производительность можно было бы улучшить если отпрофилировать код и оптимизировать узкие места, но я уверен, что результат все равно будет очень медленным по сравнению с исходной sod32.

С 32-х примитивов плюс дополнительной логики во внутреннем интерпретаторе я пришел к 7: nop, nand, !, @, um+, special, lit. Во внутреннем интерпретаторе осталась логика для исполнения примитивов и высокоуровневых определения (call), а также логика для завершения высокоуровневого определения (next). Ответ на свой вопрос я нашел: форт систему можно построить на базе 9-ти примитивов (или 8-ми, если nop не обязательно должен быть примитивом). Меня смущает то, что для доступа к памяти присутствует целых 3 примитива: @,! и lit, но я не придумал, как этого можно избежать. Я вполне мог что-то упустить, так что если вы знаете как можно избавиться от бОльшего количества примитивов — пожалуйста напишите в комментариях.

Автор: kt97679

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js