Pfi Seminar 2010 1 7

Caution!
 本発表には次のものは含まれません
 C++の有用なプログラミング技法
 広くつかわれるべきテクニック
 その他なにか視聴者に役立つもの
 そういうのを期待された方はあしからず

自己紹介
 田中英行 (@tanakh, id:tanakh)
 Haskell愛好家
 C++歴
 1998年～
 2005年ぐらいまでは漫然と使っていました
 社内用C++ライブラリ(pficommon)を作成
 C++のきもさを再認識
 その辺で得られた知見を話します
○ ※実際に使われているわけではないです

pficommon
 Boostの広く利用できる部分(tr1)
 データ構造いろいろ
 サーバー書く向け機能
 マルチスレッド
 各種プロトコル
 RPC
 ウェブアプリ向け機能
 DSL

本日の内容
 ユーザー定義構文
 Serializable万能説
 Stream Fusion

 の三本立て

概要
 C++の構文のように扱える構文を
定義してみようとすると、
それがどういう意味を持つのだろうか、
というお話

ユーザー定義構文
 ユーザー定義する組み込み構文のように
扱えるもの
 例えば
 synchronized (Java)
 using (C#)
 actor (Scala)
 のようなものがC++でも書けると嬉しい
ですね

ほかの言語の例
 Lisp
 マクロ・高階関数
 Haskell
 高階関数・モナドを引数にとる関数
 Ruby
 ブロックをとる関数
 Scala
 最後の引数にラムダ式をとる関数を書くと
それっぽく見える

例：foreach
(for-each (lambda (x) forM_ [1..5] $ ¥x ->
(display x) print x
‘(1 2 3 4 5))

(1..5).each{|x| List(1,2,3,4,5).foreach{ x =>
p x println(x)
} }

C++でのユーザー定義構文(1)
 statementを引数に取るマクロを書き、
組み込みの構文要素に置換する

#define foreach(v, c, s) ¥
for(typeof(c.begin()) it=c.begin(); it!=c.end(); it++){ ¥
v = *it; ¥
s ¥
}

…

vector<int> v; v.push_back(1); …
foreach(int x, v, { cout<<x<<endl; })

問題点
 簡単に書けて、扱いやすいが、
かっこ悪い
 foreach(, , {})
↑ 括弧の中に{}があるのが耐えられない
}) って…
foreach(int x, v) {
cout<<x<<endl;
}
 のように書きたい

 statementが後ろに来て整合性が取れる
ようなマクロを書く

#define foreach(v, c) ¥
for (bool b=true; b; ) ¥
for (v; b; b=false) ¥
for(typeof(c.begin()) it=c.begin();
it!=c.end() && (v=*it, true);
it++)

…

vector<int> v; v.push_back(1); …
foreach(int x, v){ cout<<x<<endl; }

 この書き方は美しいが、
記述力を制限される
 既存の制御構文の後ろに文を置けるだけ

後処理
 synchronized(v){ … } のようなことを実
現するには、{ … } の後に処理をさせな
ければならない

forを使う方法
 後続の文より後に処理をさせる方法
 forを使う
#define synchronized(v) ¥
for (bool b=true; ¥
b && (v.lock(), true); ¥
b=false, v.unlock())

for (bool b=true; b; ) ¥
for (scoped_lock lk(v); b; b=false)

 break, continueが食われてしまう

ifを使う方法
 ifの中で変数を宣言すれば、
後続の文の後にデストラクタを動かせる
if (scoped_lock lk=scoped_lock(v))

ifを使う方法(2)
 コピー可能なクラスを定義する
 trueを返すoperator bool() を定義する
 デストラクタを定義する

class hoge { … };

if (hoge h=hoge()) stat;

処理の流れ
 hoge::hoge()
 hoge::operator bool()
 stat
 hoge::~hoge()

改良
 operator bool() はfalseを返したほうがいい

if (scoped_lock lk=scoped_lock(v)); ¥
else

活用例：CGI DSL
class my_cgi : public cgi{
public:
void run(){
html__{
head__{
title__{ text__("タイトル"); }
}
body__{
a__{ href__ = "http://kzk9.net/blog/";
text__("super blog!");
}
br__;
}
}
}
};

議論
 hoge(…){ … } の形で、
前処理→処理→後処理の形のユーザー
定義構文が書けることが分かった
 だがそれだけだろうか？
 こういうことができるということは、
つまりどういうことなのだろうか

見えざる継続
 継続とは
 ある計算過程のある瞬間における、その過
程の未来全体を表すもの、あるいは計算過
程の実行スナップショットと説明される。
(Wikipedia)
 Schemeなどでは言語レベルでサポート
 継続は、実行中のどんな計算機プログラ
ムにも存在する

関数呼び出しと継続
 関数呼び出しとはすなわち、継続をとも
なう手続きへのジャンプ
 関数が呼ばれた＝
関数から返った後の継続が手に入る
int foo(){ return 1; } foo()が呼ばれる際に渡される継続
・返された値に2を書けて
void bar() ・それを表示する
{
cout<<foo()*2<<endl; 実際のところC++では、
} ・スタック
・リターンアドレス
の対として表現される

ユーザー定義構文では
 hoge::operator bool() が呼ばれた瞬間の
継続に注目する
class hoge { … };

if (hoge h=hoge()) stat;

処理の流れ
 hoge::hoge()
 hoge::operator bool() ← trueを返せば stat → hoge::~hoge() → …
 stat falseを返せば hoge::~hoge() → …
 hoge::~hoge() なる継続

継続を取り出す
 callee save レジスタ、スタック、リター
ンアドレスを取り出す

cont get_ret_cont(){
regs=get_callee_save_regs();
stack=get_stack();
ret=get_ret_addr();
return (regs, stack, ret);
}

継続が取り出せるなら
 operator bool()にて、継続を取り出し、
さらに文実行後の継続を設定し、stat後
の処理の流れを決められる
hoge::operator bool()
{
cont c=get_ret_cont();
next=…;
c(true);
}
hoge::~hoge()
{
next();
}

文を後ろに置く＝継続を渡す
 つまるところ、if (hoge h=hoge()) { … } は
後ろの文を引数に関数を呼び出しているの
と同じである
 Schemeの高階関数や、Rubyのブロック構
文と同じことができる

例：スレッド
 thread{ … } でスレッドを立てる
後続の文が終了するとスレッド終了
mutex m; int n;

int main()
{
thread{
for (int i=0; i<10; i++)
synchronized(m)
n++;
}
for (int i=0; i<10; i++)
synchronized(m)
n--;
}

実装
class thread_forker{ … };

thread_forker::operator bool(){
cont c=get_ret_cont();
pthread_create(&tid, NULL,
bind(apply_cont, c, true));
c(false);
}

thread_forker::~thread_forker(){
pthread_exit(NULL);
}

別スレッドでの継続の起動
 スタックを別のスタックにコピーする
 ポインタの張り替えなどめんどい

ret ret ret
frame frame frame

ret ret ret
frame frame frame

まとめ
 C++でユーザー定義構文は意外ときれい
に作れるんじゃなかろうか
 ポータブルな実装ができるかどうか

概要
 シリアライザというものがあります
 シリアライザが意外と色々なところに使
えるという話

シリアライザとは
 データをバイト列に変換したり(シリアラ
イズ)、バイト列からデータに変換したり
(デシリアライズ)するもの
 クラスやコンテナの内容をファイルに保存
したり、ネットワーク越しに転送したりす
るのにとても便利

boost::serialization
 Boostに入っているシリアライズライブ
ラリ
class hoge{
private:
string a;
vector<int> b;

friend class boost::serialization::access;
template <class Archive>
void serialize(Archive &ar){
ar & a & b;
}
};

boost::serializationの特徴
 シリアライズとデシリアライズを
共通のコードで記述
 テンプレートでディスパッチ

hoge h;
text_oarchive oa(cout);
oa << h; // text_oarchiveを引数にserializeが呼ばれる

hoge g;
text_iarchive ia(cin);
ia >> h; // text_iarchiveを引数にserializeが呼ばれる

仕組み
 serialize()関数をオーバーロード
template <class Archive>
Archive &operator &(Archive &ar, T &v){
serialize(ar, v);
return ar;
}

void serialize(text_iarchive &ar, int n){
ar.read_int(n);
}

void serialize(text_oarchive &ar, int n){
ar.write_int(n);
}

シリアライズするというのはどうい
うことか？
 クラスのシリアライズ
 メンバの列挙
 コンテナのシリアライズ
 データの列挙

テンプレートでのシリアライズ
 serializeがテンプレートメンバ関数
 シリアライズ・デシリアライズを
共通化
 色々なシリアライザ(text, binary)に適用
可能
 拡張可能
 → シリアライザじゃなくてもいいので
は？

型を書きだす
 データの代わりに、型を書きだしてみる

class type_oarchive{ … };

template <class T>
void serialize(type_oarchive &oa, T &v){ // デフォルト
oa.enter_struct();
serialize(oa, v);
oa.leave_struct();
}

void serialize(type_oarchive &oa, int &n){ // 特殊化
oa.add(new int_type(true, sizeof(int)));
}
…

型を書きだす(2)
 コンテナ型は特殊化する

template <class T>
void serialize(type_oarchive &oa, vector<T> &v){
oa.add(new array_type(get_type<T>());
}

template <class K, class V>
void serialize(type_oarchive &oa, map<K, V> &v){
oa.add(new map_type(get_type<K>(), get_type<V>());
}

型を書きだす(3)
 型情報取得関数

template <class T>
type_info *get_type()
{
T v;
type_oarchive oa;
oa << v;
return oa.get();
}

Serializable = Reflectable
 値の代わりに型を書きだすことにより、
Serializableなクラスは(部分的には)
Reflectableなクラスとなる
 Reflectableなクラスは明らかに
Serializableに出来るのでこれはそう
おかしな話ではない
 つまり、(部分的には)Serializableと
Reflectableは等価である

応用例：RPC
// シグニチャ
RPC_PROC(add, int(int, int)) // メソッド定義

RPC_GEN(calc, add) // クラス定義

// サーバ // クライアント
int add(int x, int y){ return x+y; } hoge_client cli(“localhost”, 12345);
int main(){ cout<<cli.call_add(1,2)<<endl;
hoge_server serv; // ↑ 3が返ってくるはず
serv.set_add(&add);
serv.serv(12345, 10);
}

RPC説明
 適当に関数のシグニチャを定義して、
それに合う関数をセットする
 関数の引数、返り値はソケットでやり取
りされる → シリアライズ可能でなけれ
ばならない

RPC：クライアントコード生成
 言語bindingを自動で生成
 C++ソースを読み込む
 パーズするのは大変すぎる
 g++にやらせる
 リフレクションする
 RPCの型情報が取れる
 好きなコード生成できる
 RPCでやり取りするデータはすべてSerializable
でなければならないはずなので、すべて何もし
なくてもリフレクション出来るはずである
for

RPC：テスト生成
 おなじ原理でRPCテスト用のWebサー
バーをC++コードから自動で生成

まとめ
 Serializableなデータ構造は思ったより
有用だ

概要
 ストリームを扱う計算が
テンプレートで速くなるという話

ストリーム
 (ここでは)何かデータの列
 配列とか
 外部メモリ上のデータとか
 ストリームに対する演算
 map
 filter
 fold
 sort
 merge
 など…

例
 ストリームに対する演算の繰り返し
vector<int> v, w, x;
for (int i=0; i<100; i++) v.push_back(i);

remove_copy_if(v.begin(), v.end(), back_inserter(w), is_even());
transform(w.begin(), w.end(), back_inserter(x), div2());

 中間配列ができる
 配列を二回なめる
 外部メモリを扱う時に特に顕著
for

1パスでやるには
 一か所に書けばいい
vector<int> v, x;
for (int i=0; i<100; i++) v.push_back(i);

for (int i=0; i<v.size(); i++)
if (v[i]%2==0)
x.push_back(v[i]/2);

 モジュラリティが低い
 さっきのように書いて、こうなってほしい

遅延ストリーム
 それぞれの処理で一気に配列を舐めるのが
いけない → 遅延させてやればいい
template <class T>
class stream{ … };

template <class S, class F>
class filter_stream{
public:
typedef S::elem_type elem_type;
filter_stream(S &s, F f=F()): s(s), f(f) {}
elem_type get(){
for (;;){
elem_type r=s.get();
if (f(r)) return r;
}
}
};

遅延ストリーム(2)
template <class S, class F>
class map_stream{
public:
typedef S::elem_type elem_type;
map_stream(S &s, F f=F()): s(s), f(f) {}
elem_type get(){
elem_type r=s.get();
return f(r);
}
};

stream<int> s;

filter_stream<typeof(s), is_even> t(s);
map_stream<typeof(t), div2> u(t);

while(!u.empty())
cout<<u.get()<<endl;

インライン化
 テンプレートで書かれているので
インライン化できる
 1パスでできる

stream<int> s;

filter_stream<typeof(s), is_even> t(s);
map_stream<typeof(t), div2> u(t);

u.get();
// => r=t.get(); return div2(r);
// => int r; for (;;){ r=s.get(); if (!is_even(r)) break; }
// return div2(r);

yieldとの対比
 C#でのyield
class FilterStream{
public FilterStream( … ) { … }
public IEnumerator<int> GetEnumerator(){
foreach (int t in s)
if (!f(t))
yield return i;
}
…

 ループを回すだけのようなことなら
同じようにできる

コルーチン＝遅延評価
 yield=コルーチンで遅延評価はできる
 遅延評価でyieldのようなこともできる
 列挙のようなときにはうまくいく

まとめ
 C++の謎テクをいくつか紹介
 ブロック＝継続
 Serializable＝Reflectable
 コルーチン＝遅延評価
 pficommon近日リリース予定

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