Computer IIL

コンピュータの中で、データが格納できる場所を、抽象的に変数（ variable ）と呼ぶことがあります。格納したデータを、変数の値と呼びます。変数にはデータが一つ格納でき、その値は読み取ったり変更したりできます。

変数にはデータが一つしか格納できません。たくさんのデータを格納するには、他の抽象データ構造を利用します。そのようなものの一つがスタックです。

スタック （ stack ）は、複数のデータが格納できる抽象データ構造です。スタックには次々とデータが格納できますが、取り出せるのは最後に格納したデータのみです。

紙袋の中に雑誌を積み上げる様子を考えてください。例えば、4月号の上に5月号をのせ、その上に6月号をのせます。直接取り出せるのは6月号のみです。 6月号を取り除けば、5月号が取り出せます。 5月号も取り除き、7月号をのせ、その上に8月号をのせます。すると、8月号、7月号、4月号の順に取り出せます。以上がスタックのイメージです。

スタックにデータを格納することを、 プッシュ （ push ）と言います。スタックからデータを取り出すことを、 ポップ （ pop ）と言います。スタックでは、最後に格納したデータが最初に取り出されます。この仕組みを、 後入れ先出し （ last-in first-out ）と呼びます。

4.1.2 機械語とは

コンピュータが動くことは、コンピュータがプログラムを実行することです。プログラムは、命令の系列で構成されます。コンピュータがプログラムを実行することは、CPUがプログラムの命令を次々と解釈して実行することです。

プログラムは、CPUが直接理解できる表現という意味で、一種の言語と考えられます。この言語を、 機械語 （ machine language ）と呼びます。プログラムが機械語であることを強調するときは、 機械語プログラム （ machine language program ）という言葉を使います。

CPUが解釈できる命令の全体を、 命令セット （ instruction set ）と呼びます。一般的に、CPUの種類が異なりますと、命令セットも異なります。したがって、CPU Aで動くプログラムをCPU Bに与えても、基本的には実行できません。

4.1.3 命令の形式

一般的に、命令は前半部分と後半部分に分かれます。前半は、命令の種類を表す部分で、 オペレーション・コード （ operation code ）または オペコード （ opcode ）と呼ばれます。後半は、命令の付加データを表す部分で、 オペランド （ operand ）と呼ばれます。命令によっては、オペランドのないものもあります。

現在のコンピュータでは、命令はバイトの列で表されます。プログラムは命令の系列ですので、結局、プログラムはバイトの列となります。

4.1.4 Java仮想マシン

この授業では、Java仮想マシンをCPUと見なして演習を行います。 Java仮想マシン （ Java virtual machine ）は、Javaプログラムを実行するために設計された、仮想的なCPUです。適切なシステムを与えると、現実のCPUは、この仮想的なCPUのシミュレーション（まね）を行うことができます。実際、javaコマンドは、Java仮想マシンをシミュレーションして、プログラムを実行します。

Java仮想マシンは、基本的には現実のCPUと同じように設計されています。ただし、いくつかの重要な違いがあります。今日の話に関係するところでは、Java仮想マシンにはレジスタがないことがあげられます。 Java仮想マシンは、レジスタの代わりに変数とスタックを使います。

4.1.5 プログラムの例

それでは、実際にプログラムを作成して実行します。今日扱う命令は次の通りです。

命令長	第1バイト	第2バイト	命令
1バイト	0x00		何もしない。
1バイト	0x03		整数0をスタックにプッシュする。
1バイト	0x04		整数1をスタックにプッシュする。
2バイト	0x10	`byte`	整数`byte`をスタックにプッシュする。
2バイト	0x15	`index`	第`index`変数の値をスタックにプッシュする。
1バイト	0x1b		第1変数の値をスタックにプッシュする。
1バイト	0x1c		第2変数の値をスタックにプッシュする。
2バイト	0x36	`index`	スタックからポップした値を第`index`変数に格納する。
1バイト	0x3c		スタックからポップした値を第1変数に格納する。
1バイト	0x3d		スタックからポップした値を第2変数に格納する。

上記の命令には、1バイトのものと2バイトのものがあります。これらの中には、同じ働きをするものがあります。例えば、命令 10 00 と 03 は、どちらも整数0をスタックにプッシュするものです。 0をスタックにプッシュすることはよく行われますので、特に1バイトの命令が用意されているというわけです。

/*  1*/ class Ex4 {
/*  2*/     public static void main (String[] args) {
/*  3*/         int x = 6;
/*  4*/         int y = 7;
/*  5*/         x = y;
/*  6*/         System.out.println(x);
/*  7*/     }
/*  8*/ }

b04a001@AsiaA1:~/comp2l% javac Ex4.java
b04a001@AsiaA1:~/comp2l% java Ex4
7
b04a001@AsiaA1:~/comp2l%

バイナリ・ファイルEx4.classを開きますと、下から4行目にプログラム 1006 3c10 073d 1c3c が見えます。このプログラムは、上記の3行目から5行目に対応します。

...
00000150: 0010 1006 3c10 073d 1c3c b200 021b b600  ....<..=.<......
...

まず、命令 10 06 で整数6がスタックにプッシュされます。次に、命令 3c でスタックからポップした値が第1変数（ x に対応）に格納されます。この時点で、整数6が第1変数に格納されたことになります。これは、「整数を第1変数に格納する」という命令がないので、整数をいったんスタックにプッシュし、続いてスタックからポップした値を第1変数に格納しているのです。

続いて、命令 10 07 で整数7がスタックにプッシュされ、命令 3d でスタックからポップした値が第2変数（ y に対応）に格納されます。この時点で、整数7が第2変数に格納されます。

そして、命令 1c で第2変数の値がスタックにプッシュされ、命令 3c でスタックからポップした値が第1変数に格納されます。この時点で、第2変数の値7が第1変数に格納されます。これも、「第2変数の値を第1変数に格納する」という命令がないので、スタックを仲介にしているのです。

例題1. プログラム 1008 3d1c 3c00 0000 を実行すると何が出力されるかを答えてください。出力だけではなく、プログラムの動作についても説明してください。バイナリ・ファイルEx4.classのプログラムの部分を置き換え、javaコマンドを実行すると、答えが確認できます。

解答例1. 命令 10 08 で整数8がスタックにプッシュされ、命令 3d でスタックからポップした値が第2変数に格納されるので、第2変数の値は8になる。命令 1c で第2変数の値がスタックにプッシュされ、命令 3c でスタックからポップした値が第1変数に格納されるので、第1変数の値は8になる。命令 00 が3回で何も変わらない。したがって、第1変数の値8が出力される。

確認のため、バイナリ・ファイルEx4.classを次のように書き換え、javaコマンドを実行します。

...
00000150: 0010 1008 3d1c 3c00 0000 b200 021b b600  ....=.<.........
...

b04a001@AsiaA1:~/comp2l% java Ex4
8
b04a001@AsiaA1:~/comp2l%

4.2 演習4

次のプログラムを実行すると何が出力されるかを答えてください。出力だけではなく、プログラムの動作についても説明してください。バイナリ・ファイルEx4.classのプログラムの部分を置き換え、javaコマンドを実行すると、答えが確認できます。

4.3 レポート課題

今日の演習4の答案をメールで提出してください。メールの差出人は学内のアドレス（b04a001@twcu.ac.jpなど）とし、メールの宛先はkonishi@twcu.ac.jpとします。メールの本文には、学生番号、氏名、科目名、授業日（10月21日）を明記してください。

コンピュータIIL（情報科学入門）第4回

4.1 機械語（1）