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GC切り替え可能な意味論的等価性 - 研究提案

作成日: 2025-08-27

研究テーマ

プログラミング言語において、ガベージコレクション（GC）の有効/無効を切り替えても、プログラムの動作が完全に同一となる「意味論的等価性」を保証する言語設計の研究。

研究背景

従来、プログラミング言語は以下の2つのカテゴリに分類される：

1. GCあり言語: Java, Go, Python等

   • 自動メモリ管理により開発が容易
   • 実行時オーバーヘッドが不可避

2. GCなし言語: C++, Rust等

   • 手動メモリ管理により高性能
   • 開発の複雑性が高い

この二分法を超えて、同一のコードでGCあり/なしを切り替え可能な第三の道を探求する。

研究目的

1. GC切り替え可能な言語の理論的基盤を確立
2. 意味論的等価性を保証する制約条件を明確化
3. 実用的な実装方法を提示
4. 開発効率と実行性能の両立を実証

主要概念

所有権森（Ownership Forest）

定義: オブジェクトグラフが以下の条件を満たすとき、所有権森と呼ぶ
1. 循環参照が存在しない（DAG性）
2. 各ノードが唯一の所有者を持つ（単一所有）
3. 解放順序が決定的である（決定性）

意味論的等価性

定義: プログラムPについて、以下が成立するとき意味論的等価という
∀input. execute_with_gc(P, input) = execute_without_gc(P, input)

研究計画

Phase 1: 理論構築（3ヶ月）

• 形式的な言語モデルの定義
• 所有権森の数学的定式化
• 等価性証明の枠組み構築

Phase 2: 実装（6ヶ月）

• Nyash言語での実装
• GC切り替え機構の開発
• リーク検出システムの構築

Phase 3: 評価（3ヶ月）

• ベンチマークスイートの作成
• 性能評価実験
• 開発効率の測定

期待される成果

1. 学術的貢献

   • 新しいメモリ管理パラダイムの提示
   • GCの役割に関する新しい視点
   • 形式的な等価性証明

2. 実用的貢献

   • 開発時と本番時で異なる実行モード
   • メモリリークの早期発見
   • 性能とのトレードオフ解消

関連研究

• Region-based memory management
• Linear types and ownership
• Compile-time garbage collection
• Rust's ownership system

研究チーム

• 主研究者: [TBD]
• 共同研究者: Nyashプロジェクトチーム
• アドバイザー: [TBD]

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この研究提案は随時更新されます