Forth言語インタプリタ
実装演習

1. Forth言語とは

歴史と背景

• 1970年代: Charles H. Moore が開発
• もともと天文台の望遠鏡制御のために設計
• その後、様々な分野で利用:
  • 組み込み・制御システム
  • 宇宙開発
  • NASAでも使用
  • PostScript (印刷技術・PDFレンダリング)

Forthの特徴

なぜForthを学ぶのか？

1. インタプリタの基礎
   シンプルな構文で実装原理を学びやすい
2. スタック機械の理解
   Java VM、Python VM、WebAssembly などで採用
3. 言語設計の思想
   最小限の機能で最大限の表現力

2. 動的言語とインタプリタ

プログラムの実行方式

Forth インタプリタの基本構造

字句解析

Forthインタプリタの基本構造

トークンに対してディスパッチループ (Dispatch Loop) を行う

Pythonでの実装パターン

def forth_eval(stack, code):
    tokens = code.split()  # 字句解析
    
    for token in tokens:   # 評価ループ
        if 数値なら:
            スタックにプッシュ
        elif 演算子なら:
            スタックから値を取り出して演算
        elif 定義済みワードなら:
            そのワードの本体を実行
                    

動的言語の特徴

x = 10        # xは整数
x = "hello"   # 同じxが文字列に（エラーなし）
                        

: SQUARE DUP * ;   ( 実行中に新しい命令を定義 )
5 SQUARE .         ( すぐに使える → 出力: 25 )
                        

> 3 4 +     ← 入力
7           ← 即座に結果
                        

3. スタックとForthでの使い方

（先週の復習）

スタックの基本操作

Forthでの計算: 3 4 +

Forthでの計算: 3 4 + 2 *

通常の記法: (3 + 4) × 2 = 14

スタック操作関数（先週の復習）

def stack_new():
    return []

def stack_push(stack, value):
    stack.append(value)

def stack_pop(stack):
    if len(stack) == 0:
        raise IndexError("Stack underflow")
    return stack.pop()

def stack_peek(stack):
    if len(stack) == 0:
        raise IndexError("Stack underflow")
    return stack[-1]
                    

4. 参照実装

数値と四則演算のみの最小限の実装

基本的なインタプリタ

def forth_eval(stack, code):
    """
    Forthコードを評価する (最小実装)
    """
    tokens = code.split()  # 字句解析
    
    for token in tokens:   # 評価ループ
        # 数値の場合：スタックにプッシュ
        try:
            num = int(token)
            stack_push(stack, num)
            continue
        except ValueError:
            pass

        # 演算子の場合
        if token == '+':
            b = stack_pop(stack)
            a = stack_pop(stack)
            stack_push(stack, a + b)
        elif token == '-':
            b = stack_pop(stack)
            a = stack_pop(stack)
            stack_push(stack, a - b)
        elif token == '*':
            b, a = stack_pop(stack), stack_pop(stack)
            stack_push(stack, a * b)
        elif token == '/':
            b, a = stack_pop(stack), stack_pop(stack)
            stack_push(stack, a // b)
                    

動作確認

>>> stack = stack_new()
>>> forth_eval(stack, "3 4 +")
>>> print(stack)
[7]

>>> stack = stack_new()
>>> forth_eval(stack, "3 4 + 2 *")
>>> print(stack)
[14]

>>> stack = stack_new()
>>> forth_eval(stack, "10 3 -")
>>> print(stack)
[7]
                    

5. 演習問題

課題1: スタック操作ワード

課題2: ユーザ定義ワード

: NAME ... ; で新しいワードを定義

: SQUARE DUP * ;     ( 2乗を計算するワードを定義 )
5 SQUARE .           ( 25を出力 )

: DOUBLE DUP + ;
: QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
5 QUADRUPLE .        ( 20を出力 )
                    

発展課題

• 発展1: 比較演算子（<, >, =）
• 発展2: 追加のスタック操作（2DUP, NIP, TUCK）
• 発展3: コメント機能（( ... )）