Forthを作るのじゃ（２）ワード定義できるようにする

こんにちは、鈴木です。

前回作成した Forth インタプリタを改良して、ワードの定義などができるようにしたいと思います。

元になるコード

元になるコードはこちらです。前回作成したものに定義済みワードを追加したものです。（@words にいくつか追加しました。）

class MyForth

  def initialize
    @stack = []
    @words = {
      '.s'   => lambda { p @stack },
      '+'    => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs + rhs) },
      '-'    => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs - rhs) },
      '*'    => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs * rhs) },
      '/'    => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs / rhs) },
      'dup'  => lambda { @stack.push(@stack.last) },
      'drop' => lambda { @stack.pop },
      'swap' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(rhs, lhs) },
      'over' => lambda { @stack.push(@stack[-2]) },
      'rot'  => lambda { @stack.push(@stack.delete_at(-3)) },
      'nip'  => lambda { %w(swap drop).each{|word| eval_word(word)} },
      'tuck' => lambda { %w(swap over).each{|word| eval_word(word)} },
    }
  end

  def eval_word(word)
    if word =~ /^^?\d+$/
      @stack.push(word.to_i)
    elsif @words[word]
      @words[word].call
    else
      puts "ERROR: Unsupported word: #{word}"
    end
  end

end

class MyForth

def initialize

@stack = []

@words = {

'.s' => lambda { p @stack },

'+' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs + rhs) },

'-' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs - rhs) },

'*' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs * rhs) },

'/' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs / rhs) },

'dup' => lambda { @stack.push(@stack.last) },

'drop' => lambda { @stack.pop },

'swap' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(rhs, lhs) },

'over' => lambda { @stack.push(@stack[-2]) },

'rot' => lambda { @stack.push(@stack.delete_at(-3)) },

'nip' => lambda { %w(swap drop).each{|word| eval_word(word)} },

'tuck' => lambda { %w(swap over).each{|word| eval_word(word)} },

}

end

def eval_word(word)

if word =~ /^^?\d+$/

@stack.push(word.to_i)

elsif @words[word]

@words[word].call

else

puts "ERROR: Unsupported word: #{word}"

end

ワードを定義できるようにしたい

ワードの定義は次のような書き方をするのでした。

: ワード名 ... ;

1	: ワード名 ... ;

例えば値を 3 乗する cube というワードは次のように定義できます。

: cube dup dup * * ;

1	: cube dup dup * * ;

これを実現するにはどうしたら良いでしょう。

以下のような処理を追加すれば良さそうですね。

「:」が入力された場合、それ以降の「;」以外の入力は評価せずにスタックに積む。
「;」が入力された場合、「:」から「;」までを実行する Proc を作成し、@words に登録する。

現状の eval_word(word) メソッドをそのまま使うとワードがすぐに評価されてしまうので、1. を実現することができません。

そのため eval_word(word) の処理内容を「ワード定義外」と「ワード定義内」で処理を分けるようにする必要があります。

それに伴い、ワード定義外とワード定義内で使用可能なワードも切り替える必要があります（例えばワード定義外では「;」は使えないが、ワード定義内では「;」を使えるなど）。

修正方針を整理すると、

eval_word(word) の処理内容を「ワード定義外」の場合と「ワード定義内」の場合で切り替える。
使えるワードも「ワード定義外」の場合と「ワード定義内」の場合で切り替える（@words を分割する）。
「;」が入力されたら「:」から「;」までの内容を実行する Proc を作成し、定義済みワードとして登録する。

となります。

修正版のコード

上記の方針で修正したコードは以下の通りです。

class MyForth

  def initialize
    @stack = []

    # (1) ワード定義外で使用可能なワード.
    @words_in_default = {
      '.s'   => lambda { p @stack },
      '+'    => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs + rhs) },
      '-'    => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs - rhs) },
      '*'    => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs * rhs) },
      '/'    => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs / rhs) },
      '.'    => lambda { @stack.pop },
      'dup'  => lambda { @stack.push(@stack.last) },
      'drop' => lambda { @stack.pop },
      'swap' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(rhs, lhs) },
      'over' => lambda { @stack.push(@stack[-2]) },
      'rot'  => lambda { @stack.push(@stack.delete_at(-3)) },
      'nip'  => lambda { %w(swap drop).each{|word| eval_word(word)} },
      'tuck' => lambda { %w(swap over).each{|word| eval_word(word)} },

      # (1) 追加.
      ':'    => method(:begin_word_definition),
    }

    # (1) ワード定義内で使用可能なワード.
    @words_in_definition = {
      # (1) 追加.
      ';'    => method(:end_word_definition),
    }

    # (2) eval_word(word) メソッドが内部で呼び出すメソッド.
    @eval_word = method(:eval_word_in_default)
  end

  # (2) ワードを評価する.
  def eval_word(word)
    @eval_word.call(word)
  end

  private

  # (2) ワードを評価する (ワード定義外にいる場合).
  def eval_word_in_default(word)
    if word =~ /^-?\d+$/
      @stack.push(word.to_i)
    elsif @words_in_default[word]
      @words_in_default[word].call
    else
      puts "ERROR: Unsupported word: #{word}"
    end
  end

  # (2) ワードを評価する (ワード定義内にいる場合).
  def eval_word_in_definition(word)
    if @words_in_definition[word]
      @words_in_definition[word].call
    else
      @stack.push(word)
    end
  end

  # (3) ワード定義内に入ったときの処理.
  def begin_word_definition
    @stack.push(':')
    @eval_word = method(:eval_word_in_definition)
  end

  # (4) ワード定義が終わったときの処理.
  def end_word_definition
    # スタック上のワード定義を分解する.
    # Ex. [..., ':', 'square', 'dup', '*'] を name='square', definitions=['dup', '*'] に分解する.
    name, *definitions = @stack.slice!(@stack.rindex(':') .. -1).drop(1)

    @words_in_default[name] = lambda { definitions.each{|word| eval_word_in_default(word)} }

    @eval_word = method(:eval_word_in_default)
  end

end

class MyForth

def initialize

@stack = []

# (1) ワード定義外で使用可能なワード.

@words_in_default = {

'.s' => lambda { p @stack },

'+' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs + rhs) },

'-' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs - rhs) },

'*' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs * rhs) },

'/' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(lhs / rhs) },

'.' => lambda { @stack.pop },

'dup' => lambda { @stack.push(@stack.last) },

'drop' => lambda { @stack.pop },

'swap' => lambda { lhs, rhs = @stack.pop(2); @stack.push(rhs, lhs) },

'over' => lambda { @stack.push(@stack[-2]) },

'rot' => lambda { @stack.push(@stack.delete_at(-3)) },

'nip' => lambda { %w(swap drop).each{|word| eval_word(word)} },

'tuck' => lambda { %w(swap over).each{|word| eval_word(word)} },

# (1) 追加.

':' => method(:begin_word_definition),

}

# (1) ワード定義内で使用可能なワード.

@words_in_definition = {

# (1) 追加.

';' => method(:end_word_definition),

}

# (2) eval_word(word) メソッドが内部で呼び出すメソッド.

@eval_word = method(:eval_word_in_default)

end

# (2) ワードを評価する.

def eval_word(word)

@eval_word.call(word)

end

private

# (2) ワードを評価する (ワード定義外にいる場合).

def eval_word_in_default(word)

if word =~ /^-?\d+$/

@stack.push(word.to_i)

elsif @words_in_default[word]

@words_in_default[word].call

else

puts "ERROR: Unsupported word: #{word}"

end

# (2) ワードを評価する (ワード定義内にいる場合).

def eval_word_in_definition(word)

if @words_in_definition[word]

@words_in_definition[word].call

else

@stack.push(word)

end

# (3) ワード定義内に入ったときの処理.

def begin_word_definition

@stack.push(':')

@eval_word = method(:eval_word_in_definition)

end

# (4) ワード定義が終わったときの処理.

def end_word_definition

# スタック上のワード定義を分解する.

# Ex. [..., ':', 'square', 'dup', '*'] を name='square', definitions=['dup', '*'] に分解する.

name, *definitions = @stack.slice!(@stack.rindex(':') .. -1).drop(1)

@words_in_default[name] = lambda { definitions.each{|word| eval_word_in_default(word)} }

@eval_word = method(:eval_word_in_default)

end

色々変更していますが、ポイントをコメントで記載しています。

まずは (1) で元のコードにおける @words を @words_in_default（ワード定義外で使用可能なワード）と @word_in_definition（ワード定義内で使用可能なワード）に分割し、それぞれ「:」と「;」の処理を行う Proc を追加しています。

次に (2) の部分を見てください。eval_word(word) メソッドを eval_word_in_default(word) と eval_word_in_definition(word) に分割し、呼び出すべきメソッドを @eval_word に保持するように変更しました。

(3) の begin_word_definition メソッドは「:」が入力されたときに呼び出されます。内部ではスタックに「:」を push してから、以降の eval_word(word) 呼び出しで eval_word_in_definition(word) が呼び出されるように @eval_word の値を更新しています。

(4) の end_word_definition メソッドは、ワード定義の本体です。「:」の後に入力された値が @stack に積まれているので、それを分解して Proc オブジェクトに変換し、登録済みのワードに追加（@word_in_default に追加）しています。最後に @eval_word の値を元に戻しています。

動かしてみる

それでは動かしてみましょう。

前回同様、次のような足場を作って実行すれば REPL を始めることができます。

forth = MyForth.new

while line = gets
  line.split(/\s/).each do |word|
    forth.eval_word(word)
  end
end

forth = MyForth.new

while line = gets

line.split(/\s/).each do |word|

forth.eval_word(word)

end

やろうとしていた、値を 3 乗するワード cube を定義してみます。

: cube dup dup * * ;

1	: cube dup dup * * ;

3 の 3 乗を求めてみると・・、

3 cube .s

3 cube .s

無事に 27 と表示されました。

[27]

[27]

まとめ

何とか独自のワードを定義できるようになりました。次は条件分岐も実装してみたいと思います。