Forth
Forth(フォース)は、スタック指向のプログラミング言語およびそのプログラミング環境である。Forth はしばしば、かつての習慣に従ってすべて大文字で綴られることもあるが、頭字語ではない。
Forth はスタック指向であり、逆ポーランド記法(RPN)と同様の後置記法による記述が一番の特徴である。その他の特徴としては、手続き型・命令型であり、言語としては全ての値は型としての区別なく扱われること(型システムが無いこと)、制御構造などもプログラム可能であること(リフレクション)といったものがある。
典型的な Forth の実装には、LISP におけるRead–eval–print loop(REPL)に対応する、入力されたワードを即座に実行する対話型のインタプリタモードと(これは、正規のオペレーティングシステムがないシステム向けのシェルにも適している)、後の実行のために一連のワードをコンパイルするモードのふたつのモードがある。後者にはコロン(:)というワードにより遷移しセミコロン(;)というワードで脱する。
初期の実装や移植性を目的とした実装にはスレッデッドコードを生成するものもあるが、近年の実装では他の言語のコンパイラのように最適化された目的コードを生成するものもある。
他の言語のシステムほどは人気はないが、商用においても Forth はいくつもの言語のベンダを引き止めるだけの十分なサポートを持っている。Forth は現在 Open Firmware のようなブートローダや宇宙開発、組込みシステム、ロボット制御などに使われている。GNUプロジェクトによる実装であるGforthは活発にメンテナンスされている。
Forth の環境はコンパイラと対話形式のシェルが一体化している。実行時環境ともなる仮想マシンの中で、ユーザは「ワード」(words) と呼ばれるサブルーチンを対話的に定義し実行する。ソースコードとしてテスト、再定義、デバッグされることができるワードは、プログラム全体を再コンパイルしたり再起動することなく組み込まれる。変数、基本的な演算子など、すべての構文要素はプロシージャのように見える。たとえ特定のワードが最適化されても、サブルーチンの呼び出しを必要とするといけないので、これもまた依然としてサブルーチンとして有効である。言い換えれば、シェルは対話的に入力されたコマンドをそれが実行される前にマシンコードにコンパイルする(この振る舞いは一般的だが、必須ではない)。どのように結果のプログラムが格納されるかはForth 環境によってさまざまだが、理想的には手動でそのコードが再入力されたときとプログラムの実行は同じ影響を持つ。コンパイルされる関数はプログラムオブジェクトの特殊なクラスで対話的コマンドは厳密にインタープレットされる、C言語とUnixシェルの組み合わせとは対照的である。ほとんどのForth のユニークな性質はこの原理の結果である。対話性、スクリプティング、コンパイレーションがあることにより、Forth は BBC Micro や Apple II シリーズのようなリソースが限られたコンピュータでよく使われ、ファームウェアや小さなマイクロコントローラなどのアプリケーションで生き残っている。Cコンパイラがよりコンパクトで効率的なコードを生成しようとしている今まさにそのときでも、Forth の対話性における優位は保たれているのである。
再帰的なサブルーチンを持つすべてのプログラミング環境は制御フローのためにスタック (stack) を実装している。この構造は典型的にはローカル変数やサブルーチンの引数も格納する(C言語のようなシステムにおける call-by-value)。Forth にはしばしばローカル変数がないこともあるが、call-by-value でもない。代わりに、中間的な値は第二のスタックにおいて保持される。ワードはスタックの最も上にある値を直接操作する。それゆえ、これは「パラメータ」または「データ」スタックと呼ばれたりもするが、ほとんどの場合は単に「スタック」である。それから、関数呼び出しスタックは「リンケージ」(lincage) もしくは「リターン」(return) スタックと呼ばれ、rstack とも略される。カーネルから提供された特殊な rstack 操作関数はそれがワード内で一時的なストレージとして使われることを可能にするが、その一方でこれは引数や操作データを渡すことに使うことはできない。Forthはスタックの概念をうまく利用しており、演算は逆ポーランド記法により記述される。このため構文解析が極めて単純となり、プログラムおよび処理系が小さくて済む。これは、機器組み込み用プログラムでは有利な特徴である。
また、ルーチンは「ワード」単位で記述され、コンパイルされる。これらの「ワード」を集積して「ディクショナリ」を形成する。一般的なFORTH処理系におけるプログラミングは、インタプリタ上でのワード作成の積み重ねであり、対話的に行える。開発中でも部分的な処理を動かしてのテストがやりやすく、それらを適宜組み合わせてのテストも容易である。
ほとんどのワードはスタック上でのその効果の観点から定義される。典型的には、引数はワードが実行される前にスタックの一番上に置かれる。実行後は引数は消去され、何らかの返り値で置き換えられている。数学的な操作をするためには、これを逆ポーランド記法のルールに従う。スタックの使用法を図解した以下の例を参照すること。
Forth は単純だが拡張性のある言語である。そのモジュール性と拡張性はCADシステムのような高度なプログラミングをも可能にする。しかしながら、拡張性は未熟なプログラマがわかりにくいコードを書くのも促すため、このことは Forth に「記述専用言語」との評判ももたらしている。大規模で複雑なプロジェクトでも成功裏に使われてきていて、有能でよく訓練されたプロフェッショナルによって開発されたアプリケーションが、何十年にもわたって発展していくハードウェアプラットフォーム上でも容易に保守されることを証明している。Forth は天文学分野や宇宙開発分野という得意分野も持っている。
その移植性、効率的なメモリ使用、短い開発期間および高速な実行スピードのため、Forth は今日でもいまだ多くの組み込みシステム(小さなコンピュータ化されたデバイス)で使われている。これは近代的なRISCプロセッサ上で効率的に実装されてきており、マシン語としてのForthの利用も生み出されてきている。他の Forth の用途としてはApple、IBM、サン・マイクロシステムズ、OLPC XO-1に使われるOpen Firmware ブートロムが含まれる。また、FreeBSDオペレーティングシステムの-based first stage boot controllerもある。
Forth はチャールズ・ムーアの1958年から絶え間なく開発されていた個人的なプログラミングシステムから考案された。1968年、家具と絨毯を扱う企業に雇われた際、このソフトウェアをミニコン上でFORTRANを使って書き直したものがForthの原型である、という。Forth が他のプログラマに最初に公開されたのは1970年代で、アメリカ国立電波天文台(NRAO)にいたアメリカの Elizabeth Rather によって始められたものである。1971年にNRAOの制御用ソフト作成において、ムーアはForthを完成させた。このNRAOにいた彼らの仕事のあと、チャールズ・ムーアとElizabeth Ratherは FORTH, Inc. を1973年に設立し、その後の 10 年でさらに磨きをかけるとともにいくつものプラットフォームに Forth システムを移植した。
1968年の"[t]he file holding the interpreter was labeled FOURTH, for 4th (next) generation software — but the IBM 1130 operating system restricted file names to 5 characters."において Forth は命名された。ムーアは compile-link-go 第三世代プログラミング言語の後継、または「第四世代」ハードウェアのためのソフトウェアとして Forth を見ており、用語として使われるようになっていた第四世代プログラミング言語 (4GL) ではなかった。ムーアは、アセンブラ・FORTRAN・BASICに続く4番目の言語という意味で、このソフトウェアに「fourth」と名付けるつもりだったが、このミニコンで取り扱えるファイル名は最大5文字であったため「FORTH」という名になったという。
チャールズ・ムーアはたびたび仕事を渡り歩いていたため、初期の言語開発の困難は異なるコンピュータアーキテクチャへの移植の容易さであった。Forth システムはしばしば新しいハードウェアを育てるために使われていた。たとえば、Forthは1978年の新しい Intel 8086 チップ上の最初の常駐ソフトウェアで、MacFORTHは1984年の最初のAppleMacintoshの最初の常駐開発システムであった。
Forth, Inc の microFORTH は1976年に始まったIntel 8080, Motorola 6800, Zilog Z80 マイクロプロセッサ向けに開発された。MicroFORTH は 後に 1978年の 6502 のような他のアーキテクチャ向けの Forth システムを生成するのにホビーストたちにも使われた。広い普及は最終的に言語の標準化を誘導することとなった。共通の慣習は事実上の標準である FORTH-79 および FORTH-83 にそれぞれ1979年、1983年に成文化された。これらの標準は1994年に ANSIによって統合され、通常これは ANS Forth(ANSI INCITS 215-1994 (R2001)、ISO/IEC 15145:1997(E)のベースとなった)と呼ぶ。
Forth は1980年代にはとてもよく使われるようになったが、これは小さくかつ移植性が高いとして当時の小さなマイクロコンピュータにとてもよく適していたからである。すくなくともひとつのホームコンピュータ、英国のJupiter ACEは そのROM常駐オペレーティングシステムに Forth を持っていた。キヤノン・キャットもまた そのシステムプログラミングのために Forth を使っていた。さらに Rockwell も常駐 Forth カーネルを持つ R65F11 と R65F12 のシングルチップマイクロコンピュータを製造していた。
Forth-77 Standard
Forth-78 Standard
Forth-79 Standard
Forth-83 Standard
Forth-94 Standard
ISO/IEC 15145:1997(E) - Information technology - Programming languages - Forth (First edition: 1997-04-15)
Forthの後置記法は、データスタック(オペランドスタック、以下単にスタックと呼ぶ)を意識的に操作しなければならないというForthの特徴と密接に結びついている。すなわち、オペランドはそのままスタックに積まれ、後から現れる演算子などはスタックからそれを取り出して演算し、結果をスタックに積む、といったように動作する。多くの言語と違い、バッカス・ナウア記法で構文が定義されているわけでもなく、伝統的にはコンパイラは、スレッデッドコードと呼ばれるシンプルな構造の目的コードを直接生成するだけである。また、文法の修正のような、多くの言語では実装の内部に手を入れる変更が必要なことが、Forthではそのようなワードを定義することで可能である(これは、Lispのマクロに少し似ている)。なお、データスタックの他にリターンスタックがあり、そちらはワードの呼出しの後で手続きを再開するアドレス等が積まれるスタックである(CPUのいわゆるスタックに似ている)。
たとえば、25 * 10 + 50 は、次のように入力して計算する(「<kbd>⏎</kbd>」は、改行の入力。「ok」はForth処理系が結果の出力の後に付けるプロンプト)。
まず最初に数値 25 と 10 がこの順でスタックに積まれる。clr
ワード * がスタックの一番上にあるふたつの数を乗算し、その積に置き換える。clr
それから数値 50 をスタックに積む。clr
ワード + がこれに先ほどの積を加算する。最後に、. コマンドがスタックのトップを取り出して、それを、ユーザの端末に結果として出力する。clr
これは、スタックに4を積み、さらに5を積み、スタック上の2つの値を取り出して加算、その結果をスタックに戻し、スタックの値を表示する操作を示している。
上記のように入力してエンター(⏎:リターン)を打鍵すると、画面上には下記のように結果が表示される。
Forth の構造化機能でさえもスタックベースである。たとえば、
このコードは 次のコマンドを使うことによって FLOOR5 が呼ばれる新しいワード(繰り返すが、「ワード」という単語はサブルーチンとして使われている)を定義する。DUPはスタックの数値を複製する。6がスタックの一番上に 6 を配置する。ワード < はスタックの一番上の二つの数(6 と DUP で複製された入力の値)を比較し、真偽値で置き換える。IFは真偽値をとり、その直後のコマンドを実行するか、ELSEまでスキップするかを選択する。DROPはスタックの上の値を放棄する。そして、THENは条件分岐の終端である。括弧に囲まれたテキストは、このワードが期待するスタックの数と値を返すかどうかを説明するコメントである。ワード FLOOR5 はC言語で書かれた次の関数に相当する。
この関数はより簡潔につぎのように書かれる。
このワードは次のように実行できる。
最初にインタプリタは数値 1(もしくは 8)をスタックにプッシュし、それからこの数値を再びポップし結果をプッシュする FLOOR5 を呼び出す。最後に、「.」の呼び出しは値をポップし、ユーザの端末にそれを表示する。
Forth の構文解析は明確な文法がないので単純である。インタプリタはユーザ入力デバイスから入力された行を読み、それから区切り文字としての空白を使って単語に構文解析される。他の空白文字を認識するシステムもある。インタプリタがワードを見つけると、ディクショナリ (dictionary) からそのワードの検索を試みる。もしそのワードが見つかれば、インタプリタはワードに関連付けられたコードを実行し、それから入力システムの残りを構文解析するために復帰する。もしワードを発見することができないなら、ワードを数だと仮定して数値への変換を試み、それをスタックにプッシュする。これが成功すれば、インタプリタは入力システムからの構文解析を継続する。辞書の参照と数値への変換の両方が失敗した場合、インタプリタはそのワードが認識できないというエラーメッセージに続けてそのワードを表示し、入力ストリームをフラッシュし、ユーザからの新しい入力を待機する。
新規ワードの定義は、ワード:(コロン)から始まり、;(セミコロン)で終了する。たとえば、
: X DUP 1+ . . ;
のコードはワード X をコンパイルし、辞書にこの名前が発見できるようにする。コンパイルと言っても、文頭にコロン、その後にワードの名称を置き、そこから一連の式を並べておいて、文末にセミコロンを付加するだけでよい。10 X をコンソールに入力して実行すると、11 10 が表示されるようになるだろう。
例えば、前述の式をfooという語(ワード)としてコンパイルするには、以下の通り記述する。記述法はコロン記号で始まりセミコロン記号で終わるので、「コロン定義」と呼ばれる。
<pre>
: foo 4 5 + . ;
</pre>
コンパイルすることにより、FORTHの辞書(ディクショナリ)に、この語(ワード)が登録されることになる(この場合はfooが登録される)。
実のところ、FORTHでは「+」や「.」などの演算子や出力機能などの全てがワードである。こういった組み込み済みのワードと、ユーザが後からコロン定義(コンパイラ)で追加したワードと、2つの間に本質的な差異はない。コンパイルしたワードはただちに環境に組み込まれ、インタプリタより単独で実行できるようになる。つまり、そのFORTH処理系を拡張するのである。このような点より、FORTHは自己拡張性が高いと云われる。
プログラムの開発においては、処理毎に区切ってワードとして順次構築していくので、注意深く進めていけば自然ときれいに構造化されることになる。ワードは単独で実行できるため、部分に分けてのデバッグも容易である。また、それらのワードを使ってテスト用の処理(ワード)を気軽に作成して実行・テストできる。
多くの Forth システムは実行可能なワードを生成する特殊化されたアセンブリ言語を含む。このアセンブラはコンパイラの特殊な方言である。Forth アセンブラはしばしば命令の前に引数がくる逆ポーランド記法を使う。Forth アセンブラの普通の設計では命令をスタック上に構築し、それからこれを最後の段階でメモリにコピーする。Forth システムでは、番号(0..n, 実際のオペレーションコードとして使われる)付けされるかその目的に応じて名づけられた、製作者によって使われる名前でレジスタは参照されることもある。たとえば、スタックポインタとして使われるレジスタは「S」など。
古典的な Forth システムでは伝統的にオペレーティングシステムもも使われない。コードはに格納される代わりに、ソースコードは物理的なディスクアドレスに書かれたディスクブロックに格納される。ワード BLOCK はディスクスペースの1キロバイトサイズのブロックの数値からデータを格納しているバッファのアドレスへの変換に割り当てられ、Forth システムによって自動的に管理される。固定されたディスクブロック範囲にファイルが配置されるときには、システムのディスクアクセスが使われる実装もある。たいていはこれらはディスクブロックごとのレコードの整数をつかって、固定長バイナリレコードして実装される。高速な検索はキーデータ上のハッシュアクセスによって実現される。
ふつうは cooperative なラウンドロビンスケジューリングであるマルチタスクは、通常利用可能である(ただし、マルチタスキング・ワードとサポートは ANSI Forth 規格ではカバーされていない)。ワード PAUSE は、次のタスクの配置や実行コンテキストのリストアための 現在のタスクの実行コンテキストの保存に使われる。どちらのタスクも自分自身のスタックやいくつかのコントロール変数のコピー、スクラッチエリアを持っている。タスクのスワップは単純で、効率的である。その結果、Forth マルチタスクは Intel 8051, Atmel AVR, and TI MSP430のような非常に単純なマイクロコントローラでさえ有効である。
その一方で、Microsoft WindowsやLinux、Unixのようなホストオペレーティングシステムのもとで実行され、ソースやデータのファイルのためにホストオペレーティングシステムのファイルシステムを利用する Forth システムもある。ANSI Forth 規格では I/O のために使われたワードについて書かれている。他の標準的でない機能はホスト OS やウィンドウシステムへのシステムコールを発行するためのメカニズムも含み、多くはオペレーティングシステムから提供されるスケジューリングを採用する拡張を提供する。典型的には、タスク作成、一時停止、解体、および優先順位の変更のために、スタンドアロンのForthの PAUSEワードとは大きくて異なったワードのセットを持っている。
すべてのソースコードとともに十分な機能を有する Forth システムは自身をコンパイルすることができ、Forth プログラマはこのようなテクニックを普通メタ・コンピレーション (meta-compilation) と呼ぶ(ただし、この用語は普通の定義であるメタコンピレーションとは厳密には一致しない)。通常の方法はコンパイルされたビットをメモリに配置する一握りのワードの再定義である。コンパイラのワードはメモリ内のバッファエリアにリダイレクトされることができるフェッチとストアの、特別に命名されたバージョンを使う。このバッファエリアはコードバッファというより異なるアドレスから始まるメモリ領域へのシミュレートやアクセスをする。このコンパイラは対象のコンピュータのメモリとホストの(コンパイルする)コンピュータのメモリの両方にアクセスするワードを定義する。
フェッチやストア操作がコード空間に再定義されたあと、コンパイラやアセンブラなどはフェッチやストアの新たな定義を使って再コンパイルされる。これはコンパイラとインタプリタのすべてのコードの効果的な再利用である。それから、Forth システムのコードはコンパイルされるが、このバージョンはバッファに格納される。このメモリ内のバッファはディスクに書きこまれ、これをテストのために一時的にメモリにロードする方法が提供される。新たなバージョンがきちんと機能するようなら、これは以前のバージョンに上書きされる。
異なる環境のためのバリエーションが多数存在する。組み込みシステム向けには、代わりに他のコンピュータのためにコードが書かれることになるが、このテクニックはクロスコンピレーションとして知られ、シリアルポートや単独の TTL ビット越しでさえ、その上オリジナルのコンパイルするコンピュータのワード名やディクショナリの他の実行されない部分も維持する。このようなForthコンパイラのための最小の定義は バイト単位のフェッチやストアをするワードと、実行される Forth ワード を命令するワードである。しばしばもっとも多くの時間のかかるリモートのポートへの書き込みの部分は、フェッチやストア、実行を実装するための初期化プログラムの構築であるが、多くの現代的なマイクロプロセッサ(Motorola CPU32など)は、このタスクを排除する統合されたデバッグ機能を持っている。
Forthの基本的なデータ構造は、「ワード」を実行可能なコードや名前のつけられたデータ構造を対応させる「ディクショナリ」である。このディクショナリは、門番(通常は NULL ポインタ)が発見されるまで最も新しく定義されたワードから最も古いワードまで進むリンクを用いた連結リストのツリーとして、メモリに展開される。コンテキストスイッチは異なる葉で開始するためにリスト検索を引き起こす。首位のメインの幹への枝のマージは最終的にルートの門番へ戻ってくるので、連結リスト検索は継続する。そこはさまざまなディクショナリになることができる。メタコンピレーションのような稀なケースでは、ディクショナリは隔離されスタンドアロンである。この効果は名前空間のネストのそれに似ていて、コンテキストに依存するキーワードのオーバーロードが可能である。
定義されたワードは一般的にヘッドとボディからなり、ヘッドは名前フィールド (NF) とリンクフィールド (LF) からなり、ボディはコードフィールド (CF) とパラメータフィールド (PF) からなる。
ディクショナリのエントリのヘッドとボディは、隣接していないかもしれないので別々に扱われる。たとえば、Forth プログラムが新しいプラットフォームのために再コンパイルされたとき、ヘッドはコンパイルするコンピュータに残るかもしれないが、ボディは新しいプラットフォームに行ってしまっている。組み込みシステムのようないくつかの環境によっては、ヘッドは不必要にメモリを占有する。しかしながら、もしターゲット自身が対話的なForthをサポートすることを期待されるなら、クロスコンパイラによってはヘッドをターゲット内に配置するかもしれない。
ディクショナリの厳密なフォーマットは規定されず、実装に依存する。しかしながら、いくつかのコンポーネントはほとんどいつも提示しており、しかし、厳密なサイズと順序は変わるかもしれない。記述された構造、ディクショナリエントリはこのように見えるかもしれない。
byte:       flag           Backslash 3bit flags + length of word's name
char-array: name           Backslash name's runtime length isn't known at compile time
address:    previous       Backslash link field, backward ptr to previous word
address:    codeword       Backslash ptr to the code to execute this word
any-array:  parameterfield Backslash unknown length of data, words, or opcodes
end-structure forthword
この名前フィールドはワードの名前の長さ(典型的には32バイト)を与えるプリフィックスで開始し、何ビットかはフラグ用である。それからワードの名前の文字表現がプリフィックスのあとに続く。特定のForth実装に依存するが、アラインメントのためひとつ以上の NUL ('Backslash0') バイトがあるかもしれない。
リンクフィールドは以前に定義されたワードへのポインタを含む。このポインタは次に古い隣接するワードへの、相対的な変位かもしれないし、絶対的なアドレスかもしれない。
このコードフィールドポインタは コードを実行するワードのアドレスか、パラメータフィールド内のデータか、プロセッサ直接実行するであろうマシンコードの開始のいずれかになるだろう。ワードを定義するコロンでは、コードフィールドポインタはリターンスタック上の現在の Forth 命令ポインタ (instruction pointer, IP) を保存し、ワードを実行継続するための新たなアドレスを用いてIP をロードするワードを指し示す。これはプロセッサの call/return 命令が行っているのと同様である。
コンパイラ自身はモノリシックなプログラムではない。これは システムから可視な Forth ワードとプログラマから利用可能なものとからなっている。このことはプログラマが特殊な目的のためにコンパイラのワードを変更することを可能にする。
名前フィールド内の「コンパイル時」フラグは、「コンパイル時」の振る舞いのワードのセットである。ほとんどの単純なワードは、それがコマンドライン上で入力されたかコードに埋め込まれたかにかかわらず、同じコードが実行される。そのようにコンパイルされるとき、コンパイラはコードかワードへのスレッデッドポインタを単に配置する。
コンパイル時ワードの古典的な例は IF and WHILE といった制御構造である。Forth のすべての制御構造とほとんどすべてのコンパイラはコンパイル時ワードとして実装される。すべての Forth 制御フローワードは、プリミティブなワードBRANCHや?BRANCH(もしfalseなら分岐する)の各種の組み合わせをコンパイルするために、コンパイルの間に実行される。コンパイルの間、データスタックは制御構造のバランシング、ネスティング、ブランチアドレスのバックパッチングをサポートするのに使われる。コード断片
... DUP 6 < IF DROP 5 ELSE 1 - THEN ...
は定義の内側では典型的には次のような一連にコンパイルされる。
... DUP LIT 6 < ?BRANCH 5  DROP LIT 5  BRANCH 3  LIT 1 - ...