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title: Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
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author: [Genki Sugawara](https://image.docswell.com/user/winebarrel)
site: [Docswell](https://www.docswell.com/)
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description: Go 1.18で導入されたジェネリクスは、内部的にGC Shape Stencilingと辞書渡しを組み合わせた独特の方式で実装されています。 RustやC++の完全な単態化（Monomorphization）でもなく、Haskellの純粋な辞書渡し（Dictionary Passing）でもない、その中間に位置する設計です。  この実装方式をGoの設計文書と実際のアセンブリ出力から解説します。  * なぜGoチームは完全な単態化を採用しなかったのか * 他言語（C++/Rust、Haskell、Java等）との比較 * ジェネリック関数はコンパイル後どんなコードになるのか * GC Shape Stencilingでなぜコードを共有できるか、どのようなときに共有できるか * 辞書がいつ生成され、メソッド呼び出しでどう使われるか  https://zenn.dev/kanmu_dev/articles/3c7057cc7ee5c8
published: September 18, 26
canonical: https://image.docswell.com/s/winebarrel/KL3RN4-go-generics-gc-shape-stenciling
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Goジェネリクスを支える
GC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
株式会社カンム 菅原 元気


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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
自己紹介
菅原 元気
株式会社カンム プラットフォームチーム
GitHub: @winebarrel / X: @sgwr_dts
インフラまわりをやっています
いろいろ作っています: https://winebarrel.github.io/
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
今日話すこと
1. ジェネリクスの実装方式と、Goが選んだ「中間」の道
2. GC Shape Stenciling ＋ 辞書渡しの仕組み
3. アセンブリで実際の動きを確かめる
4. どれくらいコードサイズが減るのか（と、その限界）
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
ジェネリクスの実装方式
単態化（Monomorphization）: C++、Rust
「型ごとに専用のコードをコピー」
実行が速い / バイナリの肥大化
辞書渡し（Dictionary Passing）: Haskell
「コードは1本だけ。型ごとの違いは『辞書』で外から渡す」
バイナリが小さい / 実行が遅い
その他: Java（型消去）、Swift（ハイブリッド）など
※ 分かりやすさのために単純化しています
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
Goのジェネリクス
Goのジェネリクスは、完全な単態化でも純粋な辞書渡しでもなく
GC Shape Stenciling ＋ 辞書渡し
で実現されています。
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
ジェネリクス追加までの経緯
年
2009
できごと
Russ Cox "The Generic Dilemma"
C方式（プログラマが遅い）／C++方式（コンパイルが遅い・バイナリ肥大）／Java方式（実行効率が悪い）
contracts 第1版: 制約を"サンプルコード"で書いてコンパイラが解析
2018
「暗黙的すぎる」「演算子の表現が不透明」「構文が増える」と批判される
contracts 改訂版: メソッドと型を明示的に列挙する形へ全面書き換え
2019
結果、インターフェースとほとんど見分けがつかなくなる
設計が固まる。理論的裏付けとして Featherweight Go
2020
contractsを廃止し制約はインターフェース型へ → proposal #43651
Stenciling（完全単態化）／2. Dictionaries（完全辞書渡し）
2020-09 実装方式の提案：1.
golang-devでの議論を経て、9/30 に 3. GC Shape Stenciling（両者の中間）が追加され採用
2021-02 proposal #43651 採択
2022-03 Go 1.18 リリース（実装仕様 generics-implementation-dictionaries-go1.18.md ）
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
Goジェネリクスの実装
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
題材コード
type Stringer interface{ String() string }
type UserA struct{ name string }
func (u *UserA) String() string { return u.name }
type UserB struct{ id int }
func (u *UserB) String() string { return "user" }
// 型パラメータ T のメソッド String() を呼ぶジェネリック関数
func Greet[T Stringer](x T) string {
return "Hi, " + x.String()
}
func main() {
Greet(&UserA{"alice"}) // *UserA で具体化
Greet(&UserB{42})
// *UserB で具体化
}
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
コンパイル後の処理の流れ
Greet(&UserA{...})
Greet(&UserB{...})
▼
ラッパー
main.Greet[*main.UserA]
ラッパー
main.Greet[*main.UserB]
▼ 第一引数 .dict に 辞書A / 辞書B をセット
shape本体
main.Greet[go.shape.*uint8]
（ポインタ型で共有・1本だけ）
▼ x.String() = .dict 先頭の関数ポインタを間接呼び出し（1段）
(*UserA).String
(*UserB).String
1. Greet(&UserX{}) がラッパー関数を呼ぶ
2. ラッパーが辞書（型ディスクリプタ・関数ポインタ等）と引数をshape本体へ渡す
3. shape本体が辞書経由で (*UserX).String を呼ぶ
4. shape本体が共通処理（ "Hi, " との結合）を行って返す
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
実装のポイントは2点
1. shapeごとに機械語の本体を1本に共通化
型が同じように扱える単位（shape）ごとに本体を1本だけ生成
（ポインタ型はすべて同じshape）
2. 型ごとに違う処理は辞書経由で呼ぶ
メソッド呼び出しなど、型ごとに異なる部分は辞書から引く
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
GC shape のグルーピング規則
「GC（ガベージコレクタ）から見た型の姿」でグループ化
サイズ（何バイトか）
アラインメント（何バイト境界に置くか）
ポインタの位置（型のどこがポインタか）
→ 「GCから見て同じ姿」なら同じ機械語で処理して問題ない
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
辞書の中身
shape本体には型ごとの情報が埋め込まれない。その情報を「辞書」として渡す。
辞書は呼び出し側のコンパイル時に静的生成され、読み取り専用データとしてバイナリに焼き込まれる。
セクション
メソッド式
サブ辞書
型情報
itab
中身
型パラメータのメソッド実体への関数ポインタ
中でさらに別のジェネリック関数を呼ぶとき、その呼び先に渡す辞書
型引数そのもの（ T が実際にどの型か）と、派生型（ []T 、 map[K]V など）
型パラメータの値をインターフェース値に変換するときに使う対応表
この4セクションがこの順に並ぶ。呼び出し時は隠しの第一引数 .dict として本体に渡る。
※ Go 1.18 にはメソッド式のセクションがなく、メソッド呼び出しも itab 経由だった（1.19 からメソッド式経由に）
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
アセンブリで確かめる
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
shape本体とラッパー
func First[T any](xs []T) T { return xs[0] }
func main() {
First([]*int{new(int)})
// *int で具体化
First([]*string{new(string)}) // *string で具体化
First([]int{0})
// int で具体化
}
コンパイル後のシンボル：
# shape本体
main.First[go.shape.int]
main.First[go.shape.*uint8]
# ラッパー
main.First[int]
main.First[*int]
main.First[*string]
# int 向け本体
# ポインタ向け本体（*int と *string で共有）
→ 本体はshapeごとに1本、ラッパーは具体化した型ごとに1個
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
ラッパーは辞書を積んで本体を呼ぶ
Greet[*main.UserA]
ラッパーの中身はこれだけ
; 引数 x を第2引数の位置(R1)へずらす（R0 を .dict 用に空ける）
MOVD R0, R1
; 空いた第1引数(R0)に静的辞書のアドレスを入れる
MOVD $main..dict.Greet[*main.UserA](SB), R0
; shape本体を呼ぶ
CALL main.Greet[go.shape.*uint8](SB)
// 概念的にやっていること
func Greet_wrapper(x *UserA) string {
return Greet_shape(dictGreetUserA, x) // .dict を先頭に足して呼ぶ
}
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
shape本体の共有
*int
も *string も同じ main.First[go.shape.*uint8] を呼ぶ
CBZ
MOVD
R2, 48
(R1), R0
; len(R2)==0 なら範囲外パニックへ（xs[0] の境界チェック）
; xs[0]（R1=先頭アドレス）を返り値にロード
// First の shape 本体（return xs[0]）が概念的にやっていること
func First_shape(dict *Dictionary, xs []T) T {
if len(xs) == 0 { // CBZ R2, 48 : len==0 なら
panic("index out of range") // runtime.panicBounds へ
}
return xs[0] // MOVD (R1), R0
}
ポインタは、中身が *int でも *string でも「8バイトのアドレス値」でしかない。
運ぶ操作は指す先の型に関係なく同じ機械語 → 1本で全ポインタ型をまかなえる
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
メソッドディスパッチ
Greet[go.shape.*uint8]
MOVD
MOVD
CALL
(R0), R2
R1, R0
(R2)
の中の x.String()
; .dict(R0) の先頭 = String() の関数ポインタを R2 へ取り出す
; レシーバ x(R1) をメソッドの第1引数(R0)へ移す
; R2 の関数ポインタを間接呼び出し（＝ x.String()）
// 概念的にやっていること
func Greet_shape(dict *Dictionary, x someShape) string {
stringFn := dict.funcs[0] // .dict 先頭の関数ポインタを取り出す
s := stringFn(x)
// x をレシーバに間接呼び出し
return "Hi, " + s
}
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
効果測定と性能
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
shape共有はどれくらい効くのか
func Process[T fmt.Stringer](items []T) string { /* ループ内で item.String() */ }
type P1 struct{ v int }; func (p *P1) String() string {...} // ① ポインタ型 10種類（P2〜P10）
type V1 struct{ v int }; func (v V1) String() string {...} // ② 同じ基底型の値型 10種類（V2〜V10）
type D1 struct{ a int }; type D3 struct{ x, y int }
// ③ 異なる基底型の値型 5種類（D1〜D5）
具体化グループ
具体化数
ポインタ型
10
同じ基底型の値型（ struct{v int} ） 10
異なる基底型の値型
5
合計
25
生成された本体
1本
1本
5本
7本
本体サイズ
288B
288B
計1504B
2080B
完全単態化なら 25本・約 7264B → 本体サイズで約 71%の節約
（288B × 10 + 288B × 10 + 1504B = 7264B）
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
ただし、これはベストケース
OOPSLA 2022 論文 Generic Go to Go（Ellis, Zhu, Yoshida, Song）が
実用的なベンチマークで Go 1.18 と純粋単態化を比較：
命令数は 703 対 674 でほぼ同じ
メソッド実装の再利用は観測されなかった
In our experiments, we do not observe the reuse of method
implementations, or synthesis and use of dictionaries.
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
まとめ
Goのジェネリクスは、完全な単態化と辞書渡しの中間（hybrid）
shapeごとに本体を1本だけ生成し、同じshapeの型
（ポインタ型 or 基底型が同じ型どうし）が本体を共有する
型ごとの差分は辞書（隠し第一引数 .dict ）で渡す
コードサイズ削減は検証環境のベストケースで約71%。
ただし共有条件は限定的で、実コードで効くとは限らない
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Goジェネリクスを支えるGC Shape Stencilingと辞書渡しの仕組み
参考資料
Russ Cox, The Generic Dilemma
Toward Go 2 / The Next Step for Generics
go2draft-contracts.md
proposal #43651 / 43651-type-parameters.md
generics-implementation-stenciling.md
generics-implementation-dictionaries.md
generics-implementation-gcshape.md
generics-implementation-dictionaries-go1.18.md
Featherweight Go
Ellis, Zhu, Yoshida, Song, Generic Go to Go (OOPSLA 2022)
検証コード: https://github.com/winebarrel/go-gcshape-verification-example
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ご清聴ありがとうございました
元記事の全文はこちら：
https://zenn.dev/kanmu_dev/articles/3c7057cc7ee5c8
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