a4_p0007 のバックアップ(No.2) - essen-wiki

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acl4のプログラムのページ0007

(by K, 2026.04.25)

(1) プリプロセッサは善か悪か？

私はかつてC言語のプリプロセッサのマクロが嫌いでした。関数みたいな見た目だけど、実際は関数ではなく、ただのテキストの置き換えです。
```
#define Square(x)  (x)*(x)
```
みたいなのがあると、xは二度評価されて、副作用があったりするとわかりにくいバグになるわけです。またマクロは型チェックもしてくれません。
こんなのやるくらいなら inline 関数を書いたほうがマシです。
そもそも x * x って書けないところからして、許せないんです。いや書いてもいいんですが、そしたら Square(2+3) がうまく計算できなくなるわけですよね。これが 11 になってうれしい状況が全く理解できません。
まあ最適化が強くないコンパイラでも、関数呼び出しコードを生成しないことが確実なところはちょっといいなと思っていましたが・・・。

私は今はプリプロセッサが大好きです。プリプロセッサは世界を変えるパワーを持っていると思います。うまく使えばこれほど有用なものはないのです。今日はその話をしたいと思います。

(2) サンプルプログラム p0007a.c について #0 （プリプロセッサ）

acl4 ライブラリを使って、プリプロセッサを作りました。acl4 ライブラリにはプリプロセッサ関数があるので、それを呼んでいるだけです。難しいことは何もありません。

[p0007b.txt]:

#define Square(x)  (x)*(x)
#define One     1
#define Two     2
#define Three   3
#define Four    4
#define Five    5
#define Six     6
#define Seven   7
#define Eight   8
#define Nine    9
#define Ten    10
#define Eleven 11
#define Twelve 12

#if (Square(2+3)!=11)
  Square(Three + Seven)
#endif

これをプリプロセッサにかけるとこうなります。

>p0007a prepro:1 src:p0016b.txt
#line 14 "p0016b.txt"


(3 + 7)*(3 + 7)

もし #line を出力しないでほしければ、こうします。
```
>p0007a prepro:1 src:p0016b.txt mod:2

(3 + 7)*(3 + 7)
```
このプリプロセッサの実行ファイル（ p0007a.exe ）は 35.0KB で（無圧縮）、これはWindowsのプリプロセッサのプログラムとしてはまあまあ小さいほうではないかと思います。

(3) サンプルプログラム p0007a.c について #1 （コマンドライン計算機）

プリプロセッサでは #if で式の値を計算する必要があります。そうしないと後続の行を出力するかしないかを決められません。ということで計算機能を持っています。
せっかくなので、それを使ってやろうと考えました。ファイルではなくコマンドラインに書くときは、ちょっと面倒ですが inline: を付けます。
```
>p0007a calc:1 src:inline:1+2+3+4+5+6+7+8+9+10
55
```
結局中身はプリプロセッサなので、#defineとかが混ざっていても問題ありません。ということで、先の p0007b.txt を src: に指定することもできます。
```
>p0007a calc:1 src:p0016b.txt
100
```
計算機プログラムとしては、ちょっと多機能です（笑）。

(4) サンプルプログラム p0007a.c について #2 （x86-16のアセンブラ）

さてここからが本気です（笑）。
実は自作プリプロセッサである p0007a は、普通のプリプロセッサの機能に加えて #typedDef などの拡張機能を持っています（型付きdefine）。
これは acl4 ライブラリのプリプロセッサ関数が標準で持っている機能なので、別にこの機能を使うためにあれこれと準備しなければいけないということはありません。
これを使って何ができるかと考えて、アセンブラが作れそうだと思いました。それでできたのがこれです。

[p0007c.txt]:

    MOV(AH,0x02);
    MOV(DL,0x20);
LBL(lp);
    INT(0x21);
    INC(DX);
    CMP(DL,0x7E);
    JBE_SHORT(lp);
    RET();

これは MS-DOS 用の「 !"#$%&'()...」を表示するプログラムです。文字コード 0x20 から 0x7e までを出力します。
すべての命令をマクロとして書いて、それを変換していくことで目的の機械語に到達するので、ちょっと見た目は不格好ですが、しかしアセンブラなんてC言語とかのバックエンドで動けばいいのだから、見た目は別に気にしないということであれば、まあこれもアセンブラとして認めることはできます。

アセンブルしてみます。

>p0007a x86asm:1 src:p0007c.txt
[B4 02 B2 20 CD 21 42 80 FA 7E 76 F8 C3 ]

今はとりあえずアセンブル結果を16進数で画面に出していますが、もちろんこれを好きなフォーマットに整えて出せば、きっときちんと動くと思います。

このアセンブラ結果を得るために用意したインクルードファイルはこんな内容です。 p0007c に出てこない命令はまだ全然書かれていません。

[x86asm.h]:

#define AL  R8:0
#define CL  R8:1
#define DL  R8:2
#define BL  R8:3
#define AH  R8:4
#define CH  R8:5
#define DH  R8:6
#define BH  R8:7
#define AX  R16:0
#define CX  R16:1
#define DX  R16:2
#define BX  R16:3
#define SP  R16:4
#define BP  R16:5
#define SI  R16:6
#define DI  R16:7

#define RET()           DB(0xC3)
#define INT(i)          DB(0xCD); DB(i)
#define JBE_SHORT(l)    DB(0x76); DB_L(l, 1, -1)
#define JBE_NEAR(l)     DB(0x0F); DB(0x86); DW_L(l, 1, -2)

#typedDef MOV(R8:,r,   (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9),i)  DB(0xB0+defRight(r,:)); DB(i)
#typedDef MOV(R16:,r,  (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9),i)  DB(0xB8+defRight(r,:)); DB(i)
#typedDef INC(R16:,r)                            DB(0x40+defRight(r,:))
#typedDef DEC(R16:,r)                            DB(0x48+defRight(r,:))
#typedDef CMP(R8:,r,   (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9),i)  DB(0x80); DB(0xf8+defRight(r,:)); DB(i)
#typedDef CMP(R16:,r,  (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9),i)  DB(0x81); DB(0xf8+defRight(r,:)); DW(i)
#typedDef CMP(R8:0,r,  (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9),i)  DB(0x3C); DB(i) // ALは特別.
#typedDef CMP(R16:0,r, (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9),i)  DB(0x3D); DW(i) // AXは特別.

こんなものを見せられても全くぴんと来ないと思いますが、これはつまりインクルードファイルさえ書き換えれば、x86に限らずに様々なCPU向けのアセンブラを作ることができるということです。
中には見慣れない記述もありますが、でもなんか簡単に書けそうじゃないですか（普通にアセンブラを作るよりは）。

ちなみに p0007a にはデバッグモードというのもあって、それを使うと、内部でどういう処理が行われているのか、ちょっとわかります。

>p0007a x86asm:1 src:p0007c.txt dbg:1

    DB(0xB0+4); DB(0x02);
    DB(0xB0+2); DB(0x20);
LBL(2);
    DB(0xCD); DB(0x21);
    DB(0x40+2);
    DB(0x80); DB(0xf8+2); DB(0x7E);
    DB(0x76); DB_L(2, 1, -1);
    DB(0xC3);

[B4 02 B2 20 CD 21 42 80 FA 7E 76 F8 C3 ]

このアセンブラは、もちろん純粋なプリプロセッサだけではできません。 p0007a 側もラベル計算機能を提供するために 50 行くらいは書いています。でもこれはCPUに依存せずに使えると思うので、別のCPU用に流用する時は多分そのまま使えるでしょう。

x86では、ALやAXレジスタを使うときのために、短い機械語を用意している場合があります。プリプロセッサで単純に置換していくだけでは、そういう処理はできないんじゃないかと思うかもしれません。でも p0007a はできます。
```
>p0007a x86asm:1 src:inline:CMP(CL,123);
[80 F9 7B ]

>p0007a x86asm:1 src:inline:CMP(AL,123);
[3C 7B ]
```

(5) サンプルプログラム p0007a.c について #3 （C言語インタプリタ）

アセンブラはバックエンドで活躍すればいいので不格好な構文でも許せる気はしますが、C言語ではどうでしょうか。やっぱりC言語はできるだけC言語の構文で書きたいです。
となると、C言語はプリプロセッサを使って簡単に作ることはできないのでしょうか。・・・うーん、それはくやしいです。
それで、まずC言語の「a=b+c;」を「Add(a,b,c);」変換してやろうと考えました。こんな感じでマクロっぽい書き方になってしまえば、後はプリプロセッサだけでどうにでもできそうです。
ということでそういう変換だけをするプログラムを「ミニコンパイラ」と呼ぶことにして、とりあえずやっつけで書きました。C言語のごく一部の構文しかサポートできてないですが、とにかくアイデアを試す第一歩としてこれでいいと思いました。150行くらいです。
p0007a.c は全部で 317 行なので、この半分をミニコンパイラだけで使っていることになります（笑）。いや、だって、やってみたかったんだもん！
いっぽうで、 acl4 ライブラリ側には a4vm_exec0() という170行程度の仮想マシンがすでにあるので、この VM 用のバイトコードに変換してみることにしました。
別にこれじゃなくてもいいのですが、これなら変換後に関数を呼ぶだけで実行ができるので面白いかなと思ったのです。

まずは hello, world からやってみます。

[p0007d.txt]:
```
printf("hello, world\n");
```

実行結果はこうなります。まあ当たり前ですね。
```
>p0007a clang:1 src:p0007d.txt
hello, world
```

素数を表示するプログラムを書きました。まだ配列変数が使えないので原始的な方法でやっています。 break もできないので goto で。

[p0007e.txt]:

int i, j;
for (i = 2; i < 100; i++) {
    for (j = 2; j * j <= i; j++) {
        if (i % j == 0) goto skip;
    }
    printf("%d ", i);
skip: ;
}
printf("\n");

実行結果はこうなります。

>p0007a clang:1 src:t0016p.txt
2 3 5 7 11 13 17 19 23 29 31 37 41 43 47 53 59 61 67 71 73 79 83 89 97

こんなに遊べるなら、 printf() だけではなくグラフィック関数も付けて、もっと遊ぼうと考えました。ということで p0007a にはすでに openWin() や setPix() が入っています。

[p0007f.txt]:

int x, y, c; c = 0;
openWin(256, 256);
for (y = 0; y < 256; y++) {
    for (x = 0; x < 256; x++) {
        setPix(x, y, c);
        c = c + 0x100;
    }
}
waitInf(); // これがないとウィンドウが一瞬で閉じられてしまう.

実行すると毎度のこれが出ます。
次はこれです。

[p0007g.txt]:

int x, y;
openWin(256, 256);
for (y = 0; y < 256; y++)
    for (x = 0; x < 256; x++)
        setPix(x, y, (x ^ y) * 0x10101);
waitInf(); // これがないとウィンドウが一瞬で閉じられてしまう.

実行すると毎度のこれが出ます。大満足です。

ここまで来たら、 mandel もやってみたくなるわけです。

[p0007h.txt]:

int x, y, c, sx, sy, cx, cy, zx, zy, xx, yy, n, sn;
openWin(512, 384);
for (y = 0; y < 384; y++) {
    for (x = 0; x < 512; x++) {
        sn = 0;
        for (sx = 0; sx < 4; sx++) {
            cx = (x * 4 + sx) * 56 + 4673536;
            for (sy = 0; sy < 4; sy++) {
                cy = (y * 4 + sy) * -56 - 124928;
                zx = cx; zy = cy;
                for (n = 1; n < 447; n++) {
                    Mul64Shr_RRRI(dR(xx), dR(zx), dR(zx), 24); // xx = (zx * zx) >> 24;
                    Mul64Shr_RRRI(dR(yy), dR(zy), dR(zy), 24);
                    if (xx + yy > 0x4000000) goto sk0;
                    Mul64Shr_RRRI(dR(zy), dR(zy), dR(zx), 23);
                    zx = xx + cx - yy;
                    zy = zy + cy;
                }
sk0:
                sn = sn + n;
            }
        }
        sn = sn >> 4;
        c = sn << 8;
        if (sn < 256) goto sk1;
        c = 0;
        if (sn >= 447) goto sk1;
        c = sn + 0xfe01;
sk1:
        setPix(x, y, c << 8);
    }
}
waitInf();

実行結果はこうなります。

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2026.04.25(土) 初版