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計算機の基本原理を味わおう10 - オブジェクトの合成と贅肉問題

 この記事は、計算機の基本原理を味わおう9 - コメントと浮気心は要らないの続きです。前回は、リファクタリングとオブジェクト指向について検討しました。今回は、予定を変更して、オブジェクトコンポジション(オブジェクトの合成)と贅肉について解説します。
 最小計算機をヴァージョンアップしようと思ったのですが、知人から1回のアセンブラプログラミングでは、本質が理解できないとの指摘を受けたので、インクリメント命令の実装を通じて、最小計算機の原理を再確認します。しかしそれだけでは面白くないので、オブジェクトコンポジションと贅肉についても解説します。
 さて、cmov命令だけでnot命令を実装しましたが、算術の基本であるインクリメント演算は、最小計算機でどうやれば実現できるのでしょうか?方法は2つあります。1つめは、not命令を2回実行することです。早速してみましょう。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace MiniBitMachine.V1
{
    //inc(インクリメント)命令
    public class Inc
    {
        //inc命令を構成するcmov群。
        private IEnumerable<CompareMove> _cmovs;

        //命令を実行するCPU
        private Cpu _cpu;

        //命令の開始位置。
        private byte _startAddress;

        //対象のアドレス。
        private byte _targetAddress;

        //桁上がりを表わすフラグの場所。
        private byte _carryFlagAddress;

        //対象のアドレス、桁上がりフラグのアドレス、
        //開始アドレス、CPUの情報、CPU停止の有無、
        //を元に、インスタンスを生成する。
        public Inc( byte targetAddress, 
            byte carryFlagAddress, 
            byte startAddress, 
            Cpu cpu, 
            bool isLast )
        {
            this._targetAddress = targetAddress;
            this._startAddress = startAddress;
            this._carryFlagAddress = carryFlagAddress;
            this._cpu = cpu;
            this._cmovs = this.CreateInstruction(
                targetAddress, 
                carryFlagAddress, 
                startAddress, 
                cpu, 
                isLast );
        }

        //inc命令を生成する。
        //※inc命令は対象とフラグに対するnotと見做せる。
        private IEnumerable<CompareMove> CreateInstruction(
            byte targetAddress, byte carryFlagAddress, 
            byte startAddress, Cpu cpu, 
            bool isLast )
        {
            List<CompareMove> result = new List<CompareMove>( );
            Not not = new Not( targetAddress, startAddress, cpu );
            result.AddRange( not.Cmovs );
            byte flagNotAddress = ( byte )( startAddress + 
                ( result.Count * CompareMove.Length ) );
            Not flag = new Not( 
                carryFlagAddress, flagNotAddress, cpu, result. Count );
            result.AddRange( flag.Cmovs );
            if ( isLast ) {
               result.Add( new CompareMove(
                    cpu.LastAddress,
                    cpu.ZeroAddress,
                    "手順" + result.Count + ":終了" ) );
            }
            return result;
        }

        //inc命令の文字列表現を取得する。
        public override string ToString()
        {
            StringBuilder result = new StringBuilder( );
            foreach ( CompareMove cmov in this._cmovs ) {
                result.Append( cmov );
                result.Append( Environment.NewLine );
            }
            return result.ToString( );
        }

        //指定位置を開始地点にして、自身のバイナリ値をメモリにセットする。
        public void SetBinary()
        {
            byte index = this._startAddress;
            foreach ( CompareMove cmov in this._cmovs )
                cmov.SetBinary(
                    this._cpu.ReferenceMemory, 
                    ref index );
        }
    }
}

using System;
using System.Collections.Generic;
using MiniBitMachine;
using MiniBitMachine.V1;
using MiniBitMachine.V1.Utility;

class Sample
{
    //inc命令を実行する。
    private static void IncExecute(
        byte start,
        Memory m,
        byte targetAddress,
        byte carryFlagAddress,
        bool value )
    {
        m.Write( targetAddress, value );
        Console.WriteLine(
            "{0}の値が{1}の場合に、inc命令を実行すると・・・",
            targetAddress,
            m.Read( targetAddress ) );
        Console.WriteLine( "※現在の桁上がりフラグ:{0}",
            m.Read( carryFlagAddress ) );
        Cpu cpu = new Cpu( start, m );
        cpu.AllRun( );
        Console.WriteLine( "結果:{0}",
            m.Read( targetAddress ) );
        Console.WriteLine( "桁上がりフラグ:{0}",
            m.Read( carryFlagAddress ) );
        Console.WriteLine( );
    }

    //inc命令を試す
    private static void IncTest(
        byte targetAddress,
        byte carryFlagAddress,
        byte start,
        Memory m,
        Inc inc )
    {
        inc.SetBinary();
        IncExecute( start, m, targetAddress, carryFlagAddress, true );
        IncExecute( start, m, targetAddress, carryFlagAddress, false );
    }

    static void Main()
    {
        Memory m = new Memory( );
        byte carryFlagAddress = 4;
        byte targetAddress = 5;
        byte start =
            ( byte ) ( targetAddress + 5 );
        Cpu cpu = new Cpu( start, m );
        Inc inc = new Inc(
            targetAddress, carryFlagAddress, start, cpu, true );
        Console.WriteLine(
            "********** inc命令の内容 **********" );
        Console.WriteLine(
            "対象アドレス:{0}", targetAddress );
        Console.WriteLine(
            "フラグアドレス:{0}", cpu.CompareFlagAddress );
        Console.WriteLine(
            "桁上がりフラグアドレス:{0}", carryFlagAddress );
        Console.WriteLine(
            "宛先が{0}はプログラムカウンタ",
            cpu.ProgramCounterAddress );
        Console.WriteLine(
            "宛先が{0}はCPU終了", cpu.LastAddress );
        Console.WriteLine( );
        Console.WriteLine( inc );
        Console.WriteLine( );
        IncTest( targetAddress, carryFlagAddress, start, m, inc );
        Console.ReadLine( );
    }
}

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace MiniBitMachine.V1
{
    //not(否定)命令
    public class Not
    {
        //変更したメンバーだけを掲載
        
        //対象のアドレス、開始アドレス、CPUの情報、
        //を元に、インスタンスを生成する。
        public Not( 
            byte targetAddress, byte startAddress, Cpu cpu )
            : this( targetAddress, startAddress, cpu, 0 )
        {
        }

        //対象のアドレス、開始アドレス、CPUの情報、コメントのインデックス
        //を元に、インスタンスを生成する。
        public Not( 
            byte targetAddress, byte startAddress, Cpu cpu, int commentIndex )
        {
            this._targetAddress = targetAddress;
            this._startAddress = startAddress;
            this._cpu = cpu;
            this._cmovs = this.CreateInstruction(
                targetAddress, startAddress, cpu, commentIndex );
        }

        //not命令を生成する。
        private IEnumerable<CompareMove> CreateInstruction(
            byte targetAddress, byte startAddress, Cpu cpu, int commentIndex  )
        {
            CompareMove[ ] result = new CompareMove[ 6 ];

            int startIndex = commentIndex;
            result[ 0 ] = new CompareMove(
                cpu.CompareFlagAddress,
                targetAddress,
                "手順" + commentIndex +
                    ":実行フラグの場所に対象データを移動" );

            ++commentIndex;
            byte jumpFive = ( byte ) (
                startAddress + CompareMove.Length * 5 );
            result[ 1 ] = new CompareMove(
                cpu.ProgramCounterAddress,
                jumpFive,
                "手順" + commentIndex +
                    ":手順" + (startIndex + 5 ) + "へジャンプ" );

            ++commentIndex;
            result[ 2 ] = new CompareMove(
                cpu.CompareFlagAddress,
                cpu.OneAddress,
                "手順" + commentIndex +
                    ":比較フラグを真に設定" );

            ++commentIndex;
            result[ 3 ] = new CompareMove(
                targetAddress,
                cpu.OneAddress,
                "手順" + commentIndex +
                    ":対象を1に設定" );

            ++commentIndex;
            byte jumpSix = ( byte ) (
                startAddress + CompareMove.Length * 6 );
            result[ 4 ] = new CompareMove(
                cpu.ProgramCounterAddress,
                jumpSix,
                "手順" + commentIndex +
                    ":手順" + ( startIndex + 6 ) + "へ飛ぶ" );

            ++commentIndex;
            result[ 5 ] = new CompareMove(
                targetAddress,
                cpu.ZeroAddress,
                "手順" + commentIndex + 
                    ":対象を0に設定" );

            return result;
        }
    }
}

インクリメント演算は、対象が0ならば1、対象が1ならば繰り上がって0とする命令です。従って、not命令とほとんど同じです。違いは、桁上がりを示すフラグデータが別途必要になる点と、桁上がりフラグを操作する命令が必要だという点だけです。その分のcmov命令が増えます。
 さて、ここで一つ問題があります。それは、not命令を2回続けると無駄なcmov命令が出てくる事です。つまり、プログラムに贅肉が発生するのです。具体的には、ジャンプ命令に相当する機械語命令が無駄です。4命令の無駄があるので、4 * 16 = 64bitが無駄になります。256ビットしかメモリがない最小計算機でこれは致命的なミスです。約24%も無駄なバイトでメモリを汚すのは、プログラマーの美的感覚に反します。
 ここで2つ目の方法の出番です。inc命令を1つの命令だと考えれば、無駄なジャンプ用の命令を減らせます。無駄な命令を減らすと、inc命令は次のようになります・・・

//not命令を生成する。
private IEnumerable<CompareMove> CreateInstruction(
    byte targetAddress, byte carryFlagAddress, 
    byte startAddress, Cpu cpu )
{
    CompareMove[ ] result = new CompareMove[ 9 ];

    result[ 0 ] = new CompareMove(
    cpu.CompareFlagAddress,
    targetAddress,
    "手順0:実行フラグの場所に対象データを移動" );

    byte jumpFive = ( byte ) (
        startAddress + CompareMove.Length * 6 );
    result[ 1 ] = new CompareMove(
        cpu.ProgramCounterAddress,
        jumpFive,
        "手順1:手順6へジャンプ" );

    result[ 2 ] = new CompareMove(
        cpu.CompareFlagAddress,
        cpu.OneAddress,
        "手順2:比較フラグを真に設定" );

    result[ 3 ] = new CompareMove(
        targetAddress,
        cpu.OneAddress,
        "手順3:対象を1に設定" );

    result[ 4 ] = new CompareMove(
        carryFlagAddress,
        cpu.ZeroAddress,
        "手順4:桁上がりフラグを0に設定" );

    byte jumpEight = ( byte ) (
        startAddress + CompareMove.Length * 8 );
    result[ 5 ] = new CompareMove(
        cpu.ProgramCounterAddress,
        jumpEight,
        "手順5:手順8へ飛ぶ" );

    result[ 6 ] = new CompareMove(
        targetAddress,
        cpu.ZeroAddress,
        "手順6:対象を0に設定" );

    result[ 7 ] = new CompareMove(
        carryFlagAddress,
        cpu.OneAddress,
        "手順7:桁上がりフラグを1に設定" );

    result[ 8 ] = new CompareMove(
        cpu.LastAddress,
        cpu.ZeroAddress,
        "手順8:終了" );

    return result;
}

 今回伝えたいことは、オブジェクトを合成すると贅肉が生じるという事です。むろん、実務的なプログラミングでは、贅肉を絶対に受け入れてはならないというものではなく、納期がありますので贅肉の発生よりも生産性を採る事が多いです。しかしながら、贅肉が発生する事すら知らないでプログラミングするのと、知っていてプログラミングをするのとでは、雲泥の差があります。計算機の原理を知り、発生する贅肉の量と、メリットを比べる能力がプログラミング力を上げます。原理を知り、着実に実務能力を上げましょう♪
 今回はこれでお終いです。次回は計算機のヴァージョンアップに取り掛かります。お楽しみに♪
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テーマ : プログラミング
ジャンル : コンピュータ

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インドリ

Author:インドリ
みなさん、はじめまして、
コンニチハ。

ボクは、無限の夢(infinity dream)を持つネタ好きな虹色の鳥インドリ(in dre)です。
色々な情報処理技術を啄ばむから楽しみにしてね。

http://twitter.com/indori
は別人による嫌がらせ行為です。
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