Сколько нужно примитивов для реализации форт системы? / Хабр

В 1992-м году проходил очередной конкурс по обфусцированному программированию на языке С. Один из представленных проектов был небольшой форт системой. Меня поразило, что виртуальная машина была реализована всего в 794 байтах С кода. Остальная часть форт системы загружалась из исходника на форте. После изучения проекта первоначальный восторг уступил место разочарованию, так как автор использовал не совсем “честный” трюк: для парсинга фортового исходника он использовал функцию scanf(). С этого момента меня терзал вопрос — сколько нужно примитивов для реализации форт системы без подобных трюков?
sod32 написанной Lennart Benschop. У этой форт системы виртуальная машина написана на С, а двоичный образ, который загружается в виртуальную машину, не зависит от порядка байтов в слове хост системы. sod32 имеет 32 примитива, вот они:

NOOP
( --- )
Do nothing
SWAP
( x1 x2 --- x2 x1 )
Swap the two top items on the stack.
ROT
( x1 x2 x3 --- x2 x3 x1 )
Rotate the three top items on the stack.
0=
( x --- f)
f is true if and only if x is 0.
NEGATE
( n1 --- -n1)
Negate top number on the stack.
UM*
( u1 u2 --- ud )
Multiply two unsigned numbers, giving double result.
[email protected]
( c-addr --- c)
Fetch character c at c-addr.
@
( a-addr --- x)
Fetch cell x at a-addr.
+
( w1 w2 --- w3) 
Add the top two numbers on the stack.
AND
( x1 x2 --- x3)
Bitwise and of the top two cells on the stack.
OR
( x1 x2 --- x3)
Bitwise or of the top two cells on the stack.
XOR
( x1 x2 --- x3)
Bitwise exclusive or of the top two cells on the stack.
U<
( u1 u2 ---- f)
f is true if and only if unsigned number u1 is less than u2.
<
( n1 n2 --- f)
f is true if and only if signed number n1 is less than n2.
LSHIFT
( x1 u --- x2)
Shift x1 left by u bits, zeros are added to the right.
RSHIFT
( x1 u --- x2)
Shift x1 right by u bits, zeros are added to the left.
UM/MOD
( ud u1 --- urem uquot)
Divide the unsigned double number ud by u1, giving unsigned quotient and remainder.
+CY
( n1 n2 cy1 --- n3 cy2)
Add n1 and n2 and the carry flag cy1 (must be 0 or 1) giving sum n3 and carry flag cy2. (n3 cy2 can be seen as a double number)
SCAN1
( x d --- u)
Scan x for the first 1 bit. u is the position of that bit (counted from the scan direction) and 32 if x=0. d is the scan direction, 0 is left-to-right, 1 is right-to-left.
SPECIAL
( x ---)
Any of a large number of special instructions, indicated by x.
DROP
( x ---)
Discard the top item on the stack.
>R
( x ---)
Push x on the return stack.
C!A
( c c-addr --- c-addr)
Store character c at c-addr, keep address.
!A
( x a-addr --- a-addr)
Store cell x at a-addr, keep address.
DUP
( x --- x x )
Duplicate the top cell on the stack.
OVER
( x1 x2 --- x1 x2 x1)
Copy the second cell of the stack.
[email protected]
( --- x)
x is a copy of the top of the return stack.
R>
( --- x)
Pop the top of the return stack and place it on the stack.
0
( --- 0)
The constant number 0.
1
( --- 1)
The constant number 1.
4
( --- 4)
The constant number 4.
LIT
( --- lit)
Push literal on the stack (literal number is in-line).

Я понял, что у меня появился шанс найти ответ на свой вопрос и я начал превращать примитивы в высокоуровневые определения. Хочу сразу отметить, что вся эта деятельность имеет чисто академический смысл. Применить полученные результаты на практике вряд ли получится из-за потери производительности. В процессе своих экспериментов я отслеживал изменения размера двоичного образа форт системы и время выполнения набора тестов за авторством John Hayes. Новый двоичный образ я строил командой
echo 'S" extend-cross.4" INCLUDED '|./sod32 kernel.img[/code]
а тесты запускал вот так:
time ./sod32 kernel.img $(echo -e 'S" tester.fr" INCLUDEDn12345nBYE')[/code]
В таблице ниже вы можете увидеть как каждое изменение повлияло на размер и производительность. Ссылки из колонки «изменение» ведут на соответствующий коммит в гитхабе.
изменение
размер kernel.img
время исполнения tester.fr
original sod32
10164
0m0.059s
lshift, rshift
10312
0m0.071s
+, um*, um/mod
11552
0m0.123s
[email protected], c!a
11952
0m0.795s
0=, negate <, u<
12340
0m2.800s
drop
12784
0m5.022s
swap, rot, over
13436
0m5.860s
[email protected], sp!, [email protected], rp!, dup
13680
0m8.696s
[email protected], r>, >r
14160
0m15.463s
and, or, xor
14336
0m21.198s
0, 1, 4
15236
0m21.671s
0branch
15912
0m41.765s
В итоге размер двоичного образа форт системы увеличился с 10164 до 15912 (+57%), производительность упала в 708 раз (почти 3 порядка). Возможно производительность можно было бы улучшить если отпрофилировать код и оптимизировать узкие места, но я уверен, что результат все равно будет очень медленным по сравнению с исходной sod32.
С 32-х примитивов плюс дополнительной логики во внутреннем интерпретаторе я пришел к 7: nop, nand, !, @, um+, special, lit. Во внутреннем интерпретаторе осталась логика для исполнения примитивов и высокоуровневых определения (call), а также логика для завершения высокоуровневого определения (next). Ответ на свой вопрос я нашел: форт систему можно построить на базе 9-ти примитивов (или 8-ми, если nop не обязательно должен быть примитивом). Меня смущает то, что для доступа к памяти присутствует целых 3 примитива: @,! и lit, но я не придумал, как этого можно избежать. Я вполне мог что-то упустить, так что если вы знаете как можно избавиться от бОльшего количества примитивов — пожалуйста напишите в комментариях.

It may be interesting

raymond weber 27 December 2020 11:51

Please let me know if you're looking for a article writer for your site. You have some really great posts and I feel I would be a good asset. If you ever want to take some of the load off, I'd absolutely love to write some material for your blog in exchange for a link back to mine. Please send me an email if interested. Thank you! [Url = https: //ttattack.com] 먹튀 [/ url]

raymond weber 30 December 2020 20:30

An integrated financial management system (IFMS) is an IT-based budgeting and accounting system that manages spending, payment processing, budgeting and reporting for governments and other entities, and an IFMS bundles many essential financial management functions into one software suite. An integrated financial management system is also known as an integrated financial management information system (IFMIS), and simply if think about What is IFMS means, th answer is a software which improve an organization's financial management through the different capabilities.

raymond weber 12 January 2021 09:37

Excellent .. Amazing .. I'll bookmark your blog and take the feeds also… I'm happy to find so many useful info here in the post, we need work out more techniques in this regard, thanks for sharing. [Url = https://buff.playnhc.com/] 먹튀 검증 사이트 [/ url]

hinotruonglong8

Author

27-12-2020, 05:12

Publication Date

hinotruonglong8

27-12-2020, 05:12

Development / Programming

Login