関数型言語&形式的手法セミナー(3)

関数型言語&形式的手法セミナー(３) ２０１１年７月１９日株式会社豆蔵有限会社ITプランニング小笠原啓 1

Start F#! 本日の話題F#のご紹介関数プログラミングで開発を加速しよう！応用事例：ここでも使われている関数型言語形式手法定理証明支援器Coqとのつながり 2

まず簡単にF#のご紹介 3

Microsoft Visual F#Visual Studio 2010から搭載された.NET新言語。 2010年4月発売。言語の開発自体は2000年頃から行われていた。OCamlと呼ばれる言語を基礎としている。メイン開発者の Don Syme(Microsoft Resarch) 4

F#の位置づけ 5

F#の特長静的型付け関数型言語非同期/並列ライブラリ型推論単位付き浮動小数点判別共用体とパターンコード引用符（マクロ）マッチモジュールの容易な拡張.NET環境で動作インタラクティブ環境シーケンス(遅延リスト) IDEによる支援コンピュテーション式 6

今日はF# Interactiveを使います所謂REPL 7

デモ：F# Interactive 8

関数プログラミングで開発を加速しよう！ 9

唐突ですが、nullチェックって面倒ですよね！？ 10

nullチェックは忘れやすい！public Double roc(List<Double> values, int param, int offset) { if(values == null || offset < 0 || offset >= values.size() - param || param < 1) { return null; } Double c1 = values.get(offset + param); Double c2 = values.get(offset); return c2 / c1 * 100; チェック漏れ！} 11

そもそもnullって必要なの？ nullって何？ 12

nullは値が「ない」状態1. 変数の未初期化によって起こる。2. 変数に代入する値をすぐには作れない時に入れる。3. 適切な値が作れなかった時の関数の戻り値。 13

束縛による未初期化の回避変数の考え方束縛の考え方 Integer x; x = 1; let x = 1 14

値が「ない」状態を判別できる option型 type ‘a option = None nullの代わり | Some of ‘a値がない状態のNoneと値がある状態のSome(v)の重ね合わせ（共用体）。option型は中身を取り出さない限り具体的に使えない。これでnullチェックを忘れるという事はなくなる。F#ではoption型が標準でサポート。 15

option型で書き直してみるlet roc values param offset = option { let! v = values if offset >= 0 && offset < v.size() - param && param > 0 then let! c1 = v.get(offset + param) let! c2 = v.get(offset) if c1 <> 0 then return c2 / c1 * 100 } 16

nullがない世界へようこそ未初期化変数なんて構文上存在しない。nullチェックなんて書かなくていい。option型で「ない」場合を楽々制御。コンパイラが教えてくれる。null判定を確認する単体テストは不要。 17

nullを無くして、加速！ 18

問題です問. 整数のリストを受け取って、隣り合う要素の差のリストを返す関数を作ってください。ただし、受け取ったリストが空か1要素なら、空リストを返します。例えば、引数が[5, 8, 1]なら[-3, 7]を返します。 19

Javaで書いてみるpublic ArrayList<Integer> subList( ArrayList<Integer> ary ) { ArrayList<Integer> result = new ArrayList<Integer>(); if( ary != null && ary.size() >= 2) { for( int i = 0; i < ary.size() – 2; i++ ) { result.add(ary.get(i) – ary.get(i + 1)); } } return result;} 20

インデックスアクセスって間違いやすいですよね 21

F#で書き直してみるlet subList xs = if Seq.isEmpty xs then Seq.empty else Seq.map2 (-) xs (Seq.skip 1 xs) 22

問題です問. 今月の売上げリスト（商品名と売上高を含むリスト）から、今月売れた商品名の一覧が欲しいです。商品名の重複は無くしてください。 23

Javaで書いてみる長くなるので省略・・・ 24

F#で書いてみるlet sellProducts xs = Seq.fold (fun ps sell -> if Seq.exists ((=) sell.name) ps then ps else sell.name :: ps) [] xs 25

map, foldはなぜ強力か？foldは、forループを回しながら元データを変換・集約する任意のパターンを表現できる。mapはfoldの特殊版で変換に特化したもの。この二つがあれば（ほぼ）事足りる。高階関数（クロージャー）を手軽に書ける言語なら、さらに便利。関数を合成して関数を作り出す事ができる言語なら、既存の関数を組み合わせて複雑なループを素早く構成可能。 26

map, foldでさらに加速！！ 27

こんなプログラムを書いたことはありませんか？for ( Product product : ps ) { ArrayList<Sell> sells = loadMothlySells(product); BigDecimal msale = new BigDecimal(0.); for( Sell sell : sells ) { msale = sell.sale.add(msale); データベースアクセス } writeMonthlySales(product, msale);} 28

外部入出力が絡むと単体テストが面倒 29

単体テストしやすいように let takeMontlySells product sells = product, Seq.fold (fun msale sell -> sell.sales.add(msale)) 0D) sells副作用なし let makeMothlySells products loader products |> Seq.map takeMontlySells (loader product) let _ = DBアクセス makeMontlySells products (LoadMontlySells) 切り出し |> Seq.iter writeMontlySells 30

純粋関数で楽々単体テスト高階関数で副作用（DB読み込みやファイル書き込み）を分離。 -> 単体テストが簡単に。より細かい部品はF# Interactiveで動作チェック。 31

素早い単体テストで加速！！ 32

マウスによる線引き機能お絵かきツールを作るとします。キャンバス上でマウスが動いた時には、マウス座標位置表示を更新します。キャンバス上でクリックが起きたら、そこを起点とした線引きモードに移行します。もう一度クリックされたら、線を確定します。 33

線引き機能の実装(概略)enum CampasMouseListenerMode { Normal, Line; }class CampasMouseListener implements MouseListener { CampasMouseListenerMode mode; Lineモードでしか使わな CampasPoint startPoint; い。暗黙のお約束。 public void mouseMoved( MouseEvent event ) { } public void mouseClicked( MouseEvent event ) { }} 34

こう書けたら便利じゃ？enum CampasMouseListenerMode { Normal, Line ( CampasPoint startPoint )} switch( mode ) { case Normal: startPointは case Line ( startPoint ) : Lineモードでしか使えないようにする。 35

それ何て判別共用体？こういうenumの事を判別共用体(F#)とかケースクラス(Scala)とかバリアント(OCaml)とかデータ構築子( Haskell) と呼びます。 36

F#で書き直すとtype mode = Normal | Line of campasPoint match mode with Normal -> | Line startPoint -> 37

判別共用体のご利益場合分けとそれに伴う状態を一度に表現できる。暗黙のお約束が無くなり、コードを書く側と読む側の双方に優しい。判別共用体の場合分け処理が足りない場合（例えばNormalの場合の分岐が欠けているとか)、コンパイラが教えてくれる。（網羅性チェック） 38

暗黙のお約束を減らして、加速！！ 40

イベントドリブンなプログラムって煩雑ですよね？ 41

イベントドリブンプログラミングの煩雑さ1. イベント発生後の処理として直列繋ぎしか想定されていない。（柔軟性の不足）2. 引数による値の受け渡しではなく、もっとスコープの広い変数への代入と参照によって繋がりが作られていくので、暗黙のお約束が増えていく。（モジュラリティの欠如） 42

どうしろと？ 43

イベントハンドラはイベントを受け取ったら新しいイベントを返せばいいのでは？（Observerパターンの連鎖） 44

例えばこんなイベント処理を考えてみますRequest inside process chain Request EventResponse chain 45

F#ではこう書けます同じイベントから派生した二系統のチェーン RequestEvent |> Observer.map (fun req -> response1 req) |> Observer.choose (fun r1 -> response2 r1) |> Observer.choose (fun r2 -> response3 r2) イベント間で値の受け渡しができる RequestEvent ので、モジュラリ |> Observer.map (fun req -> process1 req) ティアップ。 |> Observer.choose (fun r1 -> process2 r1) |> Observer.choose (fun r2 -> process3 r2) 46

概念的には、イベント発生を一種のストリームと見なし、 map, foldのようなリスト処理と同じ考え方を当てはめています。（Functional Reactive Programming） 47

The Reactive Extensions(Rx)Observerパターンの連鎖を強力に推し進めた.NET用のライブラリ。（Microsoft謹製）F#標準ライブラリObserverモジュールよりもリッチな関数群。LINQになぞらえたAPIインターフェイス。非同期並列処理も一緒に扱える。 48

例えば 49

イベント処理をすっきり記述して加速！！ 50

関数プログラミングによる加速まとめnullを無くして煩雑なチェックから解放。forループの代わりにmap, foldで簡潔に。副作用のない関数群で簡単単体テスト。暗黙のお約束を無くして脳の負担を軽減。イベント処理を関数的にすっきり記述。 51

Let’s 関数プログラミング！ 52

応用事例について 53

国外事例Twitter(Scala) 分散フレームワークGizzardCredit Suisse(F#) クォンツ。デリバティブ取引。Grage Insurance(F#) 格付けエンジンWebSharper F#向けWeb開発フレームワーク製品($595) 54

国内事例タイムインターメディア(Haskell) yesodフレームワークによるWebアプリ開発。㈱パテントビューロ(Scala) 知的財産・技術情報に関するデータベース事業。 Scala + LiftによるWebシステム。フィールドワークス(OCaml) OCaml製・LL言語向けPDFライブラリ製品。某名古屋の会社(F#) 元々.NETシステムを中心に開発。次の一手としてF#を積極採用。 55

弊社の事例を具体的に 56

株価分析サービス某証券会社のWebサービスの一部を担当。株価を解析して、その結果をWebAPIとして提供。元上司からの依頼。「OCaml使うよ」「いいよ」開発は約1か月。Webサービス1本とバッチ系3本くらい。OCaml + MySQL + xml-light。ウェーブレット変換のためにC言語との連携。 57

株価分析サービス関数プログラミングが便利だった点データベース処理は遅延リストがとても便利。苦労した点当時珍しかった64bitサーバー。手元に同じCPUがなく、コンパイルできなかったので、サーバーでコンパイルした。（後で少しハックすればクロスコンパイルできると知った）。 58

デモ・FXチャートシステム 59

FXチャートシステムクライアントサイドocamljsというOCamlコードをjavascriptとして出力するコンパイラを利用。HTML5/CSS3を活用。サーバーサイドTICKデータを受け取って、24D/365H稼働するデーモンをOCamlで。PostgreSQL, MySQL, Oracle, Microsoft SQLなど対応。 60

FXチャートシステム「なるべく納期を早く」が顧客の要望早くできます。しかも不具合も少ないです。 -> OCaml採用OCaml開発者が私一人ではなく、アルバイト含めれば3人以上いた。一人倒れたら終わりというリスクは無く、会社組織として受託できると主張できた。 61

FXチャートシステム関数プログラミングが便利だった点判別共用体(バリアント)による暗黙のお約束の低減。ネットワーク通信のイベント発生後の処理を継続関数で表現。苦労した点ループを伴う特定の代入操作はそのままでは遅かった。部分的に生のjavascriptを呼び出した。 62

デモ・F#による見積り管理 63

応用事例まとめ関数プログラミングを採用する動きは既に始まっている。国内でもエンタープライズ向け開発の事例がちらほら。安全かつ素早いコーディングが可能な関数プログラミングによる開発体制を築けば、他社との競争にも有利。 64

関数プログラミングはなぜ重要か？ 65

形式的手法との繋がり 66

形式的手法とのつながり関数プログラミングはなるべく副作用を排除し、純粋関数的にプログラムを記述。 -> プログラムの数学的な扱いがとても簡単になる。 -> テストが簡単になる。自動検証が可能になる。形式的な様々な手法が適用可能になる。仕様記述プログラム検証自動テスト性質証明コード生成 67

定理証明支援器Coq高階論理を扱える定理証明支援器。Gallinaという言語でプログラムを記述し、その性質を証明できる。Coqで書いたプログラムは、Haskell, OCaml, Schemeに変換可能。テストでは担保出来ない網羅性と信頼性が得られる。 68

プログラムはテストから証明の時代へ 69

本日のまとめF#はMicrosoftが推奨する関数型言語。過去資産を継承して関数プログラミングの利点を得られる。関数プログラミングで開発を加速しよう！関数プログラミングの適用は既に始まっている。プログラムはテストから証明へ。 70

現場で活かす関数型プログラミング(F#編)F#を題材に関数プログラミングの基礎を習得できるトレーニングコースです。2011年8月8日(月) 10:00～17:00at 豆蔵様トレーニングルール 71

ご清聴ありがとうございました。 72

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関数型言語&形式的手法セミナー(3)

by osiire on Jul 22, 2011

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