Compiler Engineering in Practice

Japanese Translation:

この記事は、既にある程度経験を持つ開発者向けに実践的な知恵を共有するコンパイラ工学ブログシリーズの一部です。コンパイラとは単純に二つの言語間の翻訳機であり、入力と同じ振る舞いをする出力を生成します。例としては C → x86 アセンブリや Python ソース → バイトコードなどがあります。コンパイラは基本的にファイルを読み込み書き込む単純なプログラムであるため、時間依存の割り込みがなく、OS やデータベースよりもバグの再現性が高いです。しかし信頼性は重要です。1 つの誤コンパイルだけでもデータ損失・セキュリティホール・誤った AI 出力を招き、運用環境でのデバッグには数か月を要し、典型的なコンパイラバグよりも 100〜1 000 倍以上のコストが発生します。この記事では、すべての誤コンパイルは契約違反とみなし、次回リリース前に徹底した分析と予防策を講じるべきだと主張しています。コンパイラの核は中間表現（IR）グラフであり、この IR 上の各変換は意味論を変更しないことが検証されなければなりません。IR スキーマは複雑で、Clang の AST から LLVM IR、さらにはターゲット固有の MIR に至るまで多層にわたります。そのため、オーバーフロー処理の誤りや制御フローを横断したコード移動などの微妙なミスが誤コンパイルを引き起こす可能性があります。実用的なコンパイラは大規模で長寿命のプロジェクトであり、堅牢な API 設計、慎重な IR 設計、厳格なテスト、およびコンパイラパスに特化したデバッグ戦略が必要です。すべての IR 変換ステップで徹底的な検証を行うことで、業界はデバッグコストを削減し、ユーザーを危険なバグから守り、最新コンパイラで構築されたソフトウェアへの信頼を強化できるでしょう。

「実践的コンパイラ工学」

このブログシリーズでは、経験豊富なコンパイラ開発者が知っている実用的な知恵を紹介します。テキストやオンライン教材にほとんど書かれていない内容ですので、コンパイラの基礎知識がある程度あれば理解しやすくなります。

コンパイラとは？

簡潔に言えば：

それぞれ別々の計算を記述した二つの言語間で翻訳を行うプログラム
出力は入力プログラムと同じ挙動になる必要があります（以下詳しく説明します）

例として、C → x86アセンブリです。実際にはアセンブラも「簡易コンパイラ」と言えます：テキストのx86を読み取り、バイナリマシンコードを書き出すだけです。Pythonインタプリタにもソースからバイトコードへ変換するコンパイラが組み込まれています。

コンパイラは神秘的なものではない

OSやデータベースと同様に、コンパイラはその複雑さゆえに「特別」だと捉えられがちですが、本質は単なるファイルを読み取り別のファイルを書き出すプログラムです。

cat

や

grep

と何ら変わりません。

なぜ重要なのか？
正しく構築されたコンパイラはデバッグしやすいという点が大きいです。外部からの非同期イベントやハードウェア障害を持たない、決定論的なコマンドラインツールだからです。バグは単一ワークステーション上で再現可能であり、汚れた開発ボードに頼る必要がほとんどありません。

信頼性

コンパイラの信頼性は「**ミスコンパイル（miscompile）」」という問題で極めて高く求められます。入力プログラムの意図した挙動と一致しない出力が生成されると、以下のような重大事態を招きます。

データベースデータの消失
OS のセキュリティ脆弱性
AI システムが誤った医療アドバイスを行う

本番環境でミスコンパイルをデバッグするには数か月を要し、顧客はさらに長い間気付くこともあります。ミスコンパイルの頻度が高いと開発速度が大幅に低下します：各ミスは、実行時バグより100〜1,000倍以上時間が掛かります。したがって、コンパイラは不正な出力を生成する前に必ず停止させる必要があります。すべてのミスコンパイルは深い内省と即時対策の機会です。

難易度：IR（中間表現）のデータ構造

コンパイラ複雑性の核心は 中間表現 (IR) にあります。IR はプログラムの意味を保持するグラフで、変換ごとにセマンティクスが保たれるよう検証されます。大規模な翻訳を多数の小さく安全なステップに分解していくことで問題を扱いやすくしています。

IR が複雑なのはなぜ？

グラフ構造：数千〜数百万ノードと、複雑な関係性
ノードスキーマ：各ノード（例：整数乗算）は厳格な型・意味ルールを持つ
例：C の
```
*
```
は IR 上で
```
BinaryOperator → LLVM の mul → GlobalISel の G_MUL → ターゲット固有 MIR（IMUL32rri）
```
といった階層に展開されます。各レイヤーがレジスタバンクやオーバーフローハンドリングなど新たな制約を課します。32ビットから64ビットへオーバーフロー感知付き乗算を誤変換するとミスコンパイルになります。
相互作用：可変変数と制御フローが絡むと変換は微妙になる
```
x = y + z;
…
if (condition) {
    print(x);          // x のみ使用
}
```
```
if
```
内に加算を移動すると、
```
y
```
が変更されていない限り意味が変わります。こうした依存関係を理解することが重要です。

IR グラフは数百万ノードで構成されるため、1 つの無効な変換でもミスコンパイルを引き起こします。

コンパイラはソフトウェア

実際に稼働し続けるコンパイラは何年も、時には数十年もの寿命を持ち、何百万行にもなるコードベースを抱えます。すべてのソフトウェア工学原則が適用されます。

API 設計 – コンパイラ全体の公開 API と内部 IR API の両方
テストとデバッグ – パス単位でのテスト、レグレッションテスト、決定論的ビルド

良好な IR デザインは複雑さを大幅に軽減します（次回記事で解説予定）。同様にパスごとのテストも不可欠です。

まとめと謝辞

この記事が役立ったら幸いです。今後も続くシリーズですので、LinkedIn でトピックのリクエストを遠慮なくどうぞ。Björke Roune にこのシリーズへのインスピレーションをいただき、Dan Gohman の正規化に関する投稿にも感謝します。他にご存知のリソースがあればぜひ教えてください。

今後の予定

AI 時代のモダンコンパイラ
コンパイラ組織の構築
テスト、コードレビュー、堅牢性
コンパイラライフサイクル