2026/04/07 11:09

Fennel 上の Clojure ― 第一部：永続的なデータ構造

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要約▶

日本語訳:

著者は、Clojure スタイルの不変性、データ構造、および非同期サポートを Lua に持ち込む Fennel ライブラリ群を作成しました。
fennel-cljlib は 2019 年に開始され、コア Clojure 関数、マクロ、遅延シーケンス、テストユーティリティ、および

clojure.core.async

の移植版を公開しました。その唯一の本格的な用途は fenneldoc ドキュメントツールでした。
2024 年 3 月に著者は ClojureFnl を開始し、fennel-cljlib に依存する Clojure‑to‑Fennel コンパイラを作成しました。このコンパイラはほとんどの

.cljc

ファイルをコンパイルできますが、まだ完全な標準ライブラリサポートはありません。

itable

ライブラリにおける初期の不変構造は Lua のメタテーブルでコピーオンライトを使用していたため、非常に遅い操作（

immutableredblacktree.lua

にも同様の問題）が発生しました。これを解決するために immutable.fnl が作成され、永続的な HAMT ハッシュマップ/セット、ベクター、およびソート済みマップ/セット用の赤黒木が実装されました。
HAMT は Lua のパフォーマンス制約をバランスさせるために 16 分岐で構成されており、操作は O(log₁₆ N) です。実際のサイズではほぼ定数時間となります。ベンチマークでは、永続的なハッシュマップとベクターはネイティブ PUC Lua テーブルより 30–200 倍遅いですが、LuaJIT では約 10–40 倍遅く、トランジェントを使用するとパフォーマンスが 2–3 倍向上します。
ハッシュ化には djb2 アルゴリズムとランダムソルトを使用し、可変 Lua テーブルと永続コレクション間の衝突を回避しています。永続ベクターは 32 分岐ビットシフトインデックス走査（O(log₃₂ N)）を採用し、

nil

キー/値もサポートします。赤黒木は Okasaki の挿入と Germane & Might の削除をフォローしており、操作は O(log N) ですが Lua テーブルより約 100 倍遅くなります。
永続リストは

{head, tail}

テーブルで再実装され、イテレータからの遅延構築と型検出を改善しました。永続キューはリンクドリスト前部とベクタ後部を組み合わせて O(1) enq/deq を実現し、必要に応じてベクターを遅延でリストへ変換します。
今後の計画としては、ClojureFnl の

.cljc

ファイルとの互換性向上、標準ライブラリ機能の追加、およびトランジェントや遅延シーケンスなど永続コレクションのさらなる最適化が挙げられます。 Fennel 開発者にとっては、不変性と非同期パターンを通じてより安全なコードを書けるようになりますが、性能トレードオフが高い時間的制約の Lua プロジェクトでの採用に影響する可能性があります。

本文

2019年頃に始めたプロジェクト

2019年のどこかで、Clojure の機能を Lua 実行環境に持ち込むことを目的とした fennel‑cljlib を開発しました。
これは Fennel 用ライブラリで、

clojure.core

名前空間の基本的な関数・マクロを実装したものです。

私の目標はシンプルでした。Clojure でコーディングするのが好きなのに、趣味プロジェクトとして使うことはほとんどありませんでした。そのため、Fennel が「Clojureっぽく」感じられるようにしたいだけです（既存の機能を超えて）。

このライブラリは年々拡張されてきました。
遅延シーケンス、イミュータビリティ、

clojure.test

と Kaocha に触発されたテストライブラリ、さらには

clojure.core.async

の移植まで行いました。
これは情熱プロジェクトであり、実際にソフトウェアを書き込むことはほとんどありませんでした。
唯一の例外が fenneldoc です――Fennel ライブラリ向けのドキュメント生成ツールで、真面目なプロジェクトで使われる例を見たことはありません。

それは単純な理由があります。実験的だったからです。角を削っており、Clojure に触発された Lisp である Fennel は Clojure のように機能指向プログラミングと結びついていません。
事実上、私はこのライブラリを真面目な用途にはまだ推奨しません。

新プロジェクト：ClojureFnl

最近、新しいプロジェクト ClojureFnl を始めました――fennel‑cljlib を基盤にした Clojure → Fennel コンパイラです。
開発はまだ初期段階ですが、数か月間プライベートで作業しており、3 月に動く方法を見つけました。

ClojureFnl REPL
ClojureFnl v0.0.1 – Fennel 1.6.1 on PUC Lua 5.5

(defn prime? [n]
  (not (some zero? (map #(rem n %) (range 2 n)))))
#<function: 0x89ba7c550>

(for [x (range 3 33 2)
      :when (prime? x)]
  x)
(3 5 7 11 13 17 19 23 29 31)

しかし、問題がありました。
itable ライブラリで実装した不変データ構造には重大な欠陥があったのです。このライブラリはコピーオンライトと Lua のメタテーブルを組み合わせた単純なハックで、不変性を強制していました。その結果、すべての操作が極めて遅くなっていました。

実験としては十分でしたが、ClojureFnl をさらに発展させるには置き換える必要があります。
同じ問題は

immutableredblacktree.lua

（コピーオンライトの赤黒木実装）でも起こりました。変更ごとに木全体をコピーしていたためです。

連想テーブルについてはそれほど大きな問題ではありませんでした――通常、マップには少数のキーしかなく、itable は変更が必要なレベルだけをコピーしました。
例えば、10 個のキーを持つマップがあり、その各キーにさらに 10 個のキーを持つマップが入っている場合、外側のマップでキーを追加・削除・更新すると、外側の 10 個のキーだけをコピーすれば済みます（内部マップは不変です）。

しかし配列の場合は通常状況と大きく異なります。配列は多くのインデックスを保持し、入れ子になることが少なく、変更ごとにコピーするとコストが急増します。

一部のパフォーマンス問題はトランシエント（遅延）版を自作して緩和しましたが、Clojure のデータ構造の美点はこの最適化なしでも高速であることです。

本格的な永続データ構造

Clojure はハッシュマップとセットに Persistent HAMT（ハッシュアドレス可能マルチテープ）、ベクタにはビット分割トライを使用しています。
ソート済みマップ・セットは、構造的共有を行う不変赤黒木実装です。

Lua で既存の HAMT 実装を調べましたが：

```
hamt.lua
```
（mattbierner/hamt ベース） – 未完成
```
ltrie
```
– トランシエントなし、ハッシュセット・順序付きマップ・複合ベクタ／ハッシュ未実装
Michael‑Keith Bernard の gist – カスタムハッシングなし

これらを使うこともできましたが、Fennel ライブラリとして埋め込み可能な Clojure コンパイラに組み込むためには Fennel で書かれた実装が必要でした。
そこで immutable.fnl を作成しました。

HAMT ベースのハッシュマップとハッシュセット
ベクタ
より良い永続赤黒木
遅延リンクリスト

永続ハッシュマップ

Lua のネイティブハッシュを利用した Persistent HAMT から始めました。
構造は 16 分岐のトライで、

O(log₁₆ N)

操作――実際にはキー数が多くてもほぼ定数時間です。

Clojure は分岐係数 32 を使いますが、Lua では popcount が高価になり、変更ごとにより大きな疎配列をコピーすることになります。
分岐係数 16 にすると、50,000 エントリのマップは約 4 レベル（32 分岐なら約 3 レベル）深さで、妥当な妥協点だと判断しました。

ベンチマーク（PUC Lua 5.5、Fennel 1.7.0‑dev）

操作	Lua table	Persistent HashMap	比率
50k ランダムキー挿入	2.05 ms	164.80 ms	80.3×
50k ランダムキー検索	0.83 ms	92.51 ms	110.8×
全削除	0.78 ms	170.78 ms	219.8×
10% 削除	0.14 ms	19.50 ms	136.4×
50k 要素反復	1.74 ms	6.64 ms	3.8×

トランシエントを使うと若干性能が向上しますが、ネイティブテーブルには遠く及びません。

LuaJIT の結果はオペレーション単位でコストが低減しますが、相対的な遅さは依然として大きいです。

永続ベクタ

ベクタは 32 分岐トライを用い、ハッシュではなく直接インデックスアクセスを行います。
操作は

O(log₃₂ N)

；追加は摂動的に

O(1)

です。

ベンチマーク（PUC Lua 5.5）

操作	Lua table	Persistent Vector	比率
50k 要素挿入	0.19 ms	21.07 ms	109.7×
50k ランダムインデックス検索	0.47 ms	14.05 ms	29.7×
50k ランダムインデックス更新	0.32 ms	70.04 ms	221.6×
50k 要素ポップ	0.25 ms	24.34 ms	96.2×
50k 要素反復	0.63 ms	10.16 ms	16.2×

LuaJIT の結果はやや良くなりますが、依然としてネイティブテーブルより遅いです。

永続赤黒木

ソート済みマップ・セットには Okasaki の挿入アルゴリズムと Germane & Might の削除アルゴリズムを採用しました。
操作は

O(log N)

です。

ベンチマーク（PUC Lua 5.5）

操作	Lua table	PersistentTreeMap	比率
50k ランダムキー挿入	2.10 ms	209.23 ms	99.8×
50k ランダムキー検索	0.88 ms	82.97 ms	94.2×
全削除	0.74 ms	173.76 ms	234.8×

LuaJIT はさらに遅くなる傾向があります。

永続リスト・キュー

旧メタテーブルスワップ方式の代わりに

{:head … :tail …}

テーブルを使って遅延永続リストを再実装しました。
リストインターフェースはイテレータから構築できるようになり、カスタムデータ構造と互換性があります。

永続キューはフロントリンクリストとリアー永続ベクタで構成され、enqueue/dequeue が高速です。

ClojureFnl

以上が ClojureFnl の基盤となるデータ構造の一部です。
より良い実装を手に入れたので、コンパイラ自体に集中できます。
次回の記事ではコンパイラについて触れる予定ですが、また別のことに気が散るかもしれません。

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