オブジェクト

Ruby のオブジェクト

Ruby は純粋なオブジェクト指向言語である。 それはつまり存在するすべてのデータがオブジェクトであるということだ。 じゃあオブジェクトってなんなのかと言われそうだが、これはオブジェクト指向の 連載ではないので「Ruby が実装しているソレがオブジェクト」とだけ答えておく。

ではその Ruby のオブジェクトにはどんな特徴があるだろうか。 いくつか挙げてみよう。

• ひとつのクラスに所属する
• メソッドをもっている
• インスタンス変数を持てる

VALUE

Ruby オブジェクトは C レベルでは「VALUE」型で表される。 ruby.h にある VALUE の宣言を以下に示す。

typedef unsigned long VALUE;

(ruby.h)

さらに、nil、false、true の三つも特別扱いされる。定義は以下の通り。

#define Qfalse 0
#define Qtrue  2
#define Qnil   4

(ruby.h)

また 1.5 からは Symbol クラスが加えられ、これも VALUE に直接格納されることに なった。これまでの拡張モジュールはシンボルは Fixnum だと思っているから、 GC されることをまったく考慮していない。だからポインタとして実装するわけには いかなかったというのが実際のところだろう。さて、この Symbol は ID から以下の ように作られる。

#define SYMBOL_FLAG 0x0e
#define ID2SYM(x) ((VALUE)(((long)(x))<<8|SYMBOL_FLAG)

(ruby.h)

ところで、最下位ビットが 1 (=奇数) の VALUE は Fixnum で、4 の倍数でない 偶数はシンボルの可能性があるのだから、Ruby のオブジェクト(の実体の構造体)は 4 の倍数アドレスにしか配置できない。これは malloc では普通の制約なので特に 気にすることはないのだが、この影響で GC の実装が多少簡単になる。それはあとで 説明しよう。

Object

オブジェクト用の構造体はそのクラスごとに定義されていて、 たとえば Object オブジェクトのための構造体 RObject は以下のようである。

struct RBasic {
    unsigned long flags;
    VALUE klass;
};

struct RObject {
    struct RBasic basic;
    struct st_table *iv_tbl;
};

(ruby.h)

flags メンバーの用途としては、まずその構造体の型を登録するために使う。 型を表すフラグは ruby.h で T_XXXXX という名前で定義されていて、VALUE からは TYPE() マクロで得ることができる。だからたとえば以下のような コードによって型で分岐できる。

switch (TYPE(value)) {
case T_FIXNUM:
  /* 整数の処理 */
case T_STRING:
  /* 文字列の処理 */
case T_ARRAY:
  /* 配列の処理 */
}

ちなみにこれら構造体はそのクラス自身だけでなく、その下位クラスの インスタンスに対しても使われる。つまり、通常 Ruby スクリプトから定義 するクラスのインスタンスの実体は RObject 構造体であるということだ。 また、String や Array を継承したクラスは String や Array のための 構造体(各クラスの章を参照)を使うということになる。

では今度は Class クラスの構造体を見てみよう。

struct RClass {
    struct RBasic basic;
    struct st_table *iv_tbl;
    struct st_table *m_tbl;
    VALUE super;
};

(ruby.h)

Object の構造体にもあった struct st_table は、st.[ch]で定義されている ハッシュ表である。iv_tbl はインスタンス変数 の表で、変数名のIDとオブジェクトの対応が登録 されている。これは Class クラスの構造体だから、このインスタンス表はクラス 自身のインスタンス変数、すなわち Ruby スクリプトで言えば

class A
  @a = 'instance'
end

そして m_tbl メンバーがそのクラスが持つメソッドの表で、そのクラスの インスタンスメソッドの名前 (の ID) とメソッドの実体の対応を表している。 ちなみにメソッドの実体とは、構文木の一部 (NODE) である。このことは 構文解析の章で説明する。 このような構造であることがわかれば、メソッド呼びだしを理解するのは簡単だ。 オブジェクトのクラスの m_tbl を探索し、見つからなかったら super の m_tbl を 順々に探索。super がなくなったら (Object でも見つからなかったら)、あきらめて method_missing を呼び出せばよいのだ。この詳細は メソッドの章で解説する。

その他のオブジェクト

struct RObject、RClass の他にも、組み込みのよく使われるクラスには それぞれ専用の構造体が用意されている。その詳細は第二部で紹介するが、 ひとつだけ例として Float の実体の構造体を挙げておく。

struct RFloat {
    struct RBasic basic;
    double value;
};

ユーザ定義型オブジェクト

Rubyのオブジェクトのつくりは今見たとおりなのだが、一つだけ、 拡張モジュールを作るときに使う Data について特に書いておく。

Ruby では C を使って独自に Ruby のクラスを作ることができる。そのクラスにも やはり実体としての構造体が必要になるはずだが、それは作成されるクラスによって 決まるので、あらかじめサイズや構造を知ることができない。そのため Ruby 側では 「ユーザー定義の構造体へのポインタのクラス」を作成し、それを管理するように なっている。その「ポインタのクラス」が Data である。

では、その実体 struct RData を見ていこう。

struct RData {
    struct RBasic basic;
    void (*dmark)();
    void (*dfree)();
    void *data;
};

これだけではまだ不完全だ。なぜならこの RData の klass メンバは格納している 構造体が表現するクラスにならないといけないからである。Data を生成している 部分をたどって何をしているのか見てみよう。最初は gc.c の rb_data_object_alloc() だ。

VALUE
rb_data_object_alloc(klass, datap, dmark, dfree)
    VALUE klass;
    void *datap;
    void (*dfree)();
    void (*dmark)();
{
    NEWOBJ(data, struct RData);
    OBJSETUP(data, klass, T_DATA);
    data->data = datap;
    data->dfree = dfree;
    data->dmark = dmark;

    return (VALUE)data;
}

(gc.c)

#define OBJSETUP(obj,c,t) {\
    RBASIC(obj)->klass = (c);\
    RBASIC(obj)->flags = (t);\
    if (rb_safe_level() >= 3) FL_SET(obj, FL_TAINT);\
}

(ruby.h)

組みこみクラスのインスタンス変数

Ruby 1.3 からは、組みこみクラスのインスタンスもインスタンス変数を 持てるようになった。しかし、第二部を見てもらえればわかるとおり String や Array の実体はインスタンス変数のテーブルを持っていない(Objectは持っていた)。 それではどうしてインスタンス変数を持てるのだろうか。インスタンス変数を 得る関数 rb_ivar_get を見てみよう。

VALUE
rb_ivar_get(obj, id)
    VALUE obj;
    ID id;
{
    VALUE val;

    if (!FL_TEST(obj, FL_TAINT) && rb_safe_level() >= 4)
        rb_raise(rb_eSecurityError, "Insecure: can't access instance variable");
    switch (TYPE(obj)) {
      case T_OBJECT:
      case T_CLASS:
      case T_MODULE:
        if (ROBJECT(obj)->iv_tbl && st_lookup(ROBJECT(obj)->iv_tbl, id, &val))
            return val;
        break;
      default:
        if (FL_TEST(obj, FL_EXIVAR) || rb_special_const_p(obj))
            return generic_ivar_get(obj, id);
        break;
    }
    if (ruby_verbose) {
        rb_warning("instance var %s not initialized", rb_id2name(id));
    }
    return Qnil;
}

(variable.c)

static st_table *generic_iv_tbl;

static VALUE
generic_ivar_get(obj, id)
    VALUE obj;
    ID id;
{
    st_table *tbl;
    VALUE val;

    if (!generic_iv_tbl) return Qnil;
    if (!st_lookup(generic_iv_tbl, obj, &tbl)) return Qnil;
    if (st_lookup(tbl, id, &val)) {
        return val;
    }
    return Qnil;
}

(variable.c)

ここまで読むと、なぜ iv_table を直接構造体に作っておかないのかと思うかも しれない。このことの理由は GC と関係がある。

Ruby では、文字列などのデータは通常の malloc で確保するが、オブジェクトの 構造体は gc.c でまとめて管理されている。そのとき、種類がいろいろあったの では扱うのが大変なので、すべての構造体の共用体を宣言して、その配列を管理 することになっているのだ。共用体のサイズはメンバのなかで最大サイズのものと 同じだから、ひとつだけ大きい構造体があったりすると非常に無駄が多くなる。 そして、この共用体の大きさが(現在は)RBasic + ポインタ三つ分なのだ。 インスタンス変数を使う可能性が高いのは String と Array、Hash だろうが、 これらクラスではもうすでに三つ分は他の目的に使われており、どれも外せない。 そこで前述のような間接的な方法で iv_table を持たせているわけだ。

では、この際ポインタ四つ分にしてしまわない理由はなんなのだろうか。 これは単にメモリ効率との兼ね合いだと思う。最も数多く使われるオブジェクト タイプは Object String Array だと思われれるが、Object はポインタひとつ分 しか使わない。つまり、Object のインスタンスが増えるほど無駄なメモリが 増えるわけだ。これがさらにポインタ四つ分になったとすると、Object では ポインタ三つ分の領域が無駄になることになり、看過できません。一方、 iv_table を配置することによって得られるメリットというのは多少のスピード アップであり、しかも頻繁に使われるかどうかはわからない機能だ。このような ことから結局、iv_table のためにオブジェクト構造体のサイズを増やすことは 得にならないと結論できる。

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