Julia でどうしても super().hoge みたいなことしたい人へ for JuliaTokai #18

Julia でどうしても super().hoge みたいなことしたい人へ
JuliaTokai #18 発表資料

1. Julia でどうしても super().hoge みた いなことしたい人へ 2023/03/16 JuliaTokai #18 antimon2（後藤 俊介）
2. お品書き • お前誰よ？ • 簡単な Julia の紹介 • Julia本1周年 • Julia で部分型多相のエミュレーション
3. お前誰よ？
4. 自己紹介 • 名前：後藤 俊介 • 所属：有限会社 来栖川電算 • コミュニティ：🌟JuliaTokai, 🌟機械学習名古屋, ⭐JuliaLangJa, Ruby東海, Python東海, … • 言語：Julia, Python, Ruby, … • SNS等：　　　　　　　　　　　　　　　　　　（@antimon2） • SNS等(2)：　　　　　　（@antimon2.jl） • 著書：実践Julia入門
5. https://www.kurusugawa.jp
6. プレスリリース → https://www.hatch-tech-nagoya.jp/pr-escalator-ai https://www.kurusugawa.jp/htn-2023-11-17
7. 簡単な Juliaの紹介
9. Julia とは？(1) • The Julia Language • 最新 v1.10.2（2024/03/01） ◦ LTS：v1.6.7（2022/07/19） ◦ 次期：v1.11.0-α1（2024/03/01） • 科学技術計算に強い！ • 動作が速い！（LLVM JIT コンパイル）
10. Julia とは？(2) • Rのように中身がぐちゃぐちゃでなく、 • Rubyのように遅くなく、 • Lispのように原始的またはエレファントでなく、 • Prologのように変態的なところはなく、 • Javaのように硬すぎることはなく、 • Haskellのように抽象的すぎない ほどよい言語である 引用元：http://www.slideshare.net/Nikoriks/julia-28059489/8
11. Julia とは？(3) • C のように高速だけど、 Ruby のようなダイナミズムを併せ持っている • Lisp のような真のマクロを持ちながら、 MATLAB のような直感的な数式表現もできる • Python のように総合的なプログラミングができて、 R のように統計処理も得意で、 Perl のように文字列処理もできて、 MATLAB のように線形代数もできて、 shell のように複数のプログラムを組み合わせることもできる • 超初心者にも習得は容易でありながら、 ハッカーの満足にも応えられる • インタラクティブな動作環境もあって、コンパイルもできる （Why We Created Julia から抜粋・私訳）
12. 要するに • 動的言語なのに速い！ • 文法も覚えやすい！ • 数値計算に強い！
13. Julia の主な特徴 • 多重ディスパッチ • 動的型システム • 並行・並列処理、コルーチン • 組込パッケージマネージャ
14. Julia本1周年！
15. https://twitter.com/antimon2/status/1635765451220459520
16. https://www.amazon.co.jp/o/ASIN/4297133504
17. https://www.amazon.co.jp/product-reviews/4297133504/ref=c m_cr_dp_d_show_all_btm?ie=UTF8&reviewerType=all_reviews
18. 2024/02/03 at JuliaTokyo #11
19. こんなこと書いてた • 割愛したネタとして 部分型多相のエミュレート を紹介 • ↑サンプルコードまで書いてい たがボリューム削減のためカット https://speakerdeck.com/antimon2/shi-jian-juliaru-men-de-ge-ai-sitaneta-for-juliatokyo-number-11?slide=28
20. Juliaで部分型多相の エミュレーション
21. おさらい(1): ポリモーフィズム（多態性・多相性） • 共通のインターフェースで異なる対象を統一的に扱うこと • 言い換えると、「同じ関数（メソッド）で、引数（やレシーバ）の違いで振る舞いを変 えられるような機能・実装」 • Julia のコンテキストで言い直すと、「同じ識別子（関数名）だけど型シグニチャ （引数の型や組合せ）の違いで振る舞いを変えられる機能」 ⇒ 多重ディスパッチ によって与えられる機能 • 主なポリモーフィズムの種類： ◦ アドホック多相 ◦ パラメータ多相 ◦ 部分型多相
22. おさらい(2): 部分型多相性（サブタイピング多相） • 共通の基本型に対するインターフェースを提供すること • クラスベースの言語においては、例えば 『型C が 型A を継承したクラスであるとき、型C のオブジェクトを 型A に キャスト（アップキャスト）することで 型A のメソッドを利用できる』 これがコア。 • Julia にはこの機能は（直接的には）ない！ ◦ Julia はそもそもクラスもないし継承もない！ ◦ Julia には具象型から具象型へのサブタイピングもない ⇒キャスト（アップキャスト・ダウンキャスト）という概念がそもそも存在しない！ ◦ あと Python の super().hoge のような仕組みもない！
23. おさらい(3): 部分型多相性（サブタイピング多相） • 共通の基本型に対するインターフェースを提供すること • クラスベースの言語においては、例えば 『型C が 型A を継承したクラスであるとき、型C のオブジェクトを 型A に キャスト（アップキャスト）することで 型A のメソッドを利用できる』 これがコア。 • Julia にはこの機能は（直接的には）ない！ ◦ Julia はそもそもクラスもないし継承もない！ ◦ Julia には具象型から具象型へのサブタイピングもない ⇒キャスト（アップキャスト・ダウンキャスト）という概念がそもそも存在しない！ ◦ あと Python の super().hoge のような仕組みもない！ • 　　　　　　　　　　　　　↑と書いたが実はウソだ！
24. 例：時刻を扱う型と文字列表現の実装
25. AbstractTime 型, MyTime 型 （仕様） • 時分秒を取り扱う型 • 文字列化（出力）する と hh:mm:ss のよう に出力される 例→ MyTime1 <: AbstractTime mytime1 = MyTime(14, 28, 57); println(mytime1) ## 14:28:57 string(mytime1) #> "14:28:57"
26. MyTime2 型 （仕様） • コンストラクタの引数 に 0時0分0秒 から の秒数1つだけを受け 取る時刻型 • 文字列化（出力）する と hh:mm:ss (XXXsec(s).) のよ うに出力される 例→ MyTime2 <: AbstractTime mytime2 = MyTime2(10000); # 午前0時の10000秒後は 2時46分40秒 println(mytime2) ## 02:46:40 (10000sec(s).) string(mytime2) #> "02:46:40 (10000sec(s).)"
27. MyTimeWithMS 型 （仕様） • 時分秒に加えてミリ秒 も取り扱う型 • 文字列化（出力）する と hh:mm:ss.SSS のように出力される 例→ MyTimeWithMS <: AbstractTime mytime3 = MyTimeWithMS(12, 34, 56, 789); println(mytime3) ## 12:34:55.789 string(mytime3) #> "12:34:55.789"
28. 参考：MyTimes.py （Python での実装例） from abc import ABC, abstractmethod class AbstractTime(ABC): @property @abstractmethod def hour(self) -> int: pass @property @abstractmethod def minute(self) -> int: pass @property @abstractmethod def second(self) -> int: pass def __str__(self) -> str: return "{:02d}:{:02d}:{:02d}".format(self.hour, self.minute, self.second) class MyTime(AbstractTime): def __init__(self, hour, minute, second) -> 'MyTime': self._hour = hour self._minute = minute self._second = second @property def hour(self) -> int: return self._hour @property def minute(self) -> int: return self._minute @property def second(self) -> int: return self._second class MyTime2(AbstractTime): def __init__(self, seconds) -> None: self._seconds = seconds @property def hour(self) -> int: return self._seconds // 3600 @property def minute(self) -> int: return self._seconds // 60 % 60 @property def second(self) -> int: return self._seconds % 60 @property def seconds(self) -> int: return self._seconds # override def __str__(self) -> str: return super().__str__() + " ({}sec(s).)".format(self.seconds) class MyTimeWithMS2(MyTime): def __init__(self, h, m, s, ms) -> None: super().__init__(h, m, s) self._ms = ms @property def millisecond(self) -> int: return self._ms # override def __str__(self) -> str: return super().__str__() + ".{:03d}".format(self.millisecond)
29. 実装例1：invoke(@invoke)を利用する例
30. AbstractTime 型、および関連関数 Point: • function hoge end で関数の宣言の ようなことができる • Julia では文字列化 の定義も Base.show() の多 重定義（＝メソッド追 加）で担う abstract type AbstractTime end function gethour end function getminute end function getsecond end function Base.show(io::IO, time::AbstractTime) print(io, string(gethour(time), pad=2), ':', string(getminute(time), pad=2), ':', string(getsecond(time), pad=2)) end
31. MyTime 型、および関連関数（メソッド） Point: • MyTime 型は 『hour, minute, second の各フィール ドを持つ』だけのシン プル実装 • gethour(), getminute(), getsecond() の各 関数はそれを返すだ け struct MyTime <: AbstractTime hour::Int minute::Int second::Int end gethour(time::MyTime) = time.hour getminute(time::MyTime) = time.minute getsecond(time::MyTime) = time.second
32. MyTime 型 （動作確認） 《先ほど見たとおり》 mytime1 = MyTime(14, 28, 57); println(mytime1) ## 14:28:57 string(mytime1) #> "14:28:57"
33. MyTime2 型、および関連関数（メソッド） (1) Point: • MyTime2 型は 『seconds ただ1つの フィールドを持つ』実 装 • gethour(), getminute(), getsecond() は seconds から算出 • さらに getseconds() も定 義 struct MyTime2 <: AbstractTime seconds::Int end gethour(time::MyTime2) = time.seconds ÷ 3600 getminute(time::MyTime2) = time.seconds ÷ 60 % 60 getsecond(time::MyTime2) = time.seconds % 60 getseconds(time::MyTime2) = time.seconds # ←ココ！
34. MyTime2 型、および関連関数（メソッド） (2) Point: • MyTime2 型用に Base.show() を多 重定義（メソッド追加） • @invoke show(io, time::AbstractTi me) とすることで 基 本型 AbstractTime に対して定義された メソッドを呼び出せ る！ function Base.show(io::IO, time::MyTime2) # ↓ `invoke(show, Tuple{IO, AbstractTime}, io, time)` と同じ @invoke show(io, time::AbstractTime) # ←ココ！ print(io, " (", getseconds(time), "sec(s).)") end
35. MyTime2 型 （動作確認） 《先ほど見たとおり》 mytime2 = MyTime2(10000); # 午前0時の10000秒後は 2時46分40秒 println(mytime2) ## 02:46:40 (10000sec(s).) string(mytime2) #> "02:46:40 (10000sec(s).)"
36. MyTimeWithMS 型、および関連関数（メソッド） (1) Point: • MyTimeWithMS 型は 『hms::MyTime と ms::Int の2つの フィールドを持つ』実 装、内部コンストラク タも定義 • gethour(), getminute(), getsecond() は hms に 委譲 • getmillisecond() も定義 struct MyTimeWithMS <: AbstractTime hms::MyTime ms::Int MyTimeWithMS(h, m, s, ms) = new(MyTime(h, m, s), ms) end gethour(time::MyTimeWithMS) = gethour(time.hms) getminute(time::MyTimeWithMS) = getminute(time.hms) getsecond(time::MyTimeWithMS) = getsecond(time.hms) getmillisecond(time::MyTimeWithMS) = time.ms
37. MyTimeWithMS 型、および関連関数（メソッド） (2) Point: • MyTimeWithMS 型用 に Base.show() を 多重定義（メソッド追 加）、MyTimeWith2 型の時と同様（以下 略） function Base.show(io::IO, time::MyTimeWithMS) # ↓ `invoke(show, Tuple{IO, AbstractTime}, io, time)` と同じ @invoke show(io, time::AbstractTime) # ←ココ！ print(io, '.', string(getmillisecond(time), pad=3)) end # ※以下のような実装でもOK #= function Base.show(io::IO, time::MyTimeWithMS) print(io, time.hms, '.', string(getmillisecond(time), pad=3)) end =#
38. MyTimeWithMS 型 （動作確認） 《先ほど見たとおり》 mytime3 = MyTimeWithMS(12, 34, 56, 789); println(mytime3) ## 12:34:55.789 string(mytime3) #> "12:34:55.789"
39. Point • @invoke マクロ（invoke() 関数）を用いると、「基本型に対するメソッドを選 択 して呼び出す」ことができる！ ◦ Python の super().hoge よりは、Java などの静的型付き言語の「アップキャスト（＋ 基本 型のメソッド呼び出し）」の方がイメージ近い • 指定する型は 対象オブジェクトの型の基本型 でなければならない ◦ 先の例なら time isa AbstractTime なので time::AbstractTime と指定できた ◦ !(time isa MyTime) なら time::MyTime と書くことはできない（実行時エラー） • その他注意点 ◦ @invoke は Julia v1.7 で追加されて v1.9 で Base でエクスポートされた ◦ のでお使いの Julia が v1.7/v1.8 なら Base.@invoke と書く必要がある ◦ Julia v1.6 なら invoke(fn, Tuple{Foo, …}, args…) のようにする必要あり
40. 実装例2：Holyトレイト を利用する例
41. AbstractTime 型、および関連関数 Point: • @invoke の場合と前 半は同じ • getseconds() と getmillisecond() のデフォルト実装も用 意しておく（後で説 明） abstract type AbstractTime end function gethour end function getminute end function getsecond end # ↓のデフォルト実装も先にしておく getseconds(time::AbstractTime) = (gethour(time) * 60 + getminute(time)) * 60 + getsecond(time) getmillisecond(::AbstractTime) = 0
42. トレイト型、およびデフォルト実装 Point: • 抽象型 TimeStyle とその派生型3種 Simple , WithSeconds , WithMS を定義 • TimeStyle(SomeTi me) がデフォルトで Simple() を返すよ う実装しておく # Trait types abstract type TimeStyle end struct Simple <: TimeStyle end struct WithSeconds <: TimeStyle end struct WithMS <: TimeStyle end # トレイト型のデフォルト＝ `Simple()` TimeStyle(::Type{<:AbstractTime}) = Simple()
43. Base.show() および showtime() 関数の実装 (1) Point: • Base.show(io, time::T) は showtime(io, TimeStyle(T), time) を呼ぶだけの 実装 • showtime() の第2 引数 Simple() のメ ソッドはデフォルト実 装 Base.show(io::IO, time::T) where {T <: AbstractTime} = showtime(io, TimeStyle(T), time) function showtime(io::IO, ::Simple, time) print(io, string(gethour(time), pad=2), ':', string(getminute(time), pad=2), ':', string(getsecond(time), pad=2)) end
44. Base.show() および showtime() 関数の実装 (2) Point: • showtime() の第2 引数が WithSeconds(), WithMS() のメソッ ド実装 • その中で showtime(io, Simple(), time) を呼び出していること に注目！ • あと getseconds() と getmillisecond() も利 用していることにも注目！ function showtime(io::IO, ::WithSeconds, time) showtime(io, Simple(), time) # ←ココ！ print(io, " (", getseconds(time), "sec(s).)") end function showtime(io::IO, ::WithMS, time) showtime(io, Simple(), time) # ←ココ！ print(io, '.', string(getmillisecond(time), pad=3)) end
45. MyTime 型、および関連関数（メソッド） Point: • MyTime 型は @invoke のときと全 く同様（なので詳細割 愛） struct MyTime <: AbstractTime hour::Int minute::Int second::Int end gethour(time::MyTime) = time.hour getminute(time::MyTime) = time.minute getsecond(time::MyTime) = time.second
46. MyTime 型 （動作確認） • 特に多重定義してい ないので TimeStyle(MyTime ) === Simple() となることに注目 • なので showtime(io, Simple(), time) が呼ばれて hh:mm:ss 形式で出 力 TimeStyle(MyTime) === Simple() #> true mytime1 = MyTime(14, 28, 57); println(mytime1) ## 14:28:57 string(mytime1) #> "14:28:57"
47. MyTime2 型、および関連関数（メソッド） Point: • MyTime2 型の定義は @invoke の時とほぼ 同じ • 違うのは TimeStyle(::Type {MyTime2}) = WithSeconds() と いう定義を加えてい ることと、 Base.show() のメ ソッド追加はしていな いこと！ struct MyTime2 <: AbstractTime seconds::Int end gethour(time::MyTime2) = time.seconds ÷ 3600 getminute(time::MyTime2) = time.seconds ÷ 60 % 60 getsecond(time::MyTime2) = time.seconds % 60 getseconds(time::MyTime2) = time.seconds # override TimeStyle(::Type{MyTime2}) = WithSeconds() # ←ココ！
48. MyTime2 型 （動作確認） • TimeStyle(MyTime 2) === WithSeconds() だったので showtime(io, WithSeconds(), time) が呼ばれて hh:mm:ss (XXXsec(s).) 形式 で出力 mytime2 = MyTime2(10000); # 午前0時の10000秒後は 2時46分40秒 println(mytime2) ## 02:46:40 (10000sec(s).) string(mytime2) #> "02:46:40 (10000sec(s).)"
49. MyTimeWithMS 型、および関連関数（メソッド） Point: • MyTimeWithMS 型も MyTime2 型と同様、 前半は同じ • TimeStyle(::Type {MyTimeWithMS}) = WithMS() という 定義を加えており、 Base.show() のメ ソッド追加はしていな い！ struct MyTimeWithMS <: AbstractTime hms::MyTime ms::Int MyTimeWithMS(h, m, s, ms) = new(MyTime(h, m, s), ms) end gethour(time::MyTimeWithMS) = gethour(time.hms) getminute(time::MyTimeWithMS) = getminute(time.hms) getsecond(time::MyTimeWithMS) = getsecond(time.hms) getmillisecond(time::MyTimeWithMS) = time.ms TimeStyle(::Type{MyTimeWithMS}) = WithMS() # ←ココ！
50. MyTimeWithMS 型 （動作確認） • TimeStyle(MyTime WithMS) === WithMS() だったの で showtime(io, WithMS(), time) が呼ばれて hh:mm:ss.SSS 形式 で出力 mytime3 = MyTimeWithMS(12, 34, 56, 789); println(mytime3) ## 12:34:55.789 string(mytime3) #> "12:34:55.789"
51. Point • Holy トレイト は、（継承やサブタイピングに依らずに） 実装の共有・共通化をする仕組み • これを利用して 『どう出力するか』というトレイト型 を用意して、サブタイプでそ れぞれ出力方法を定義できる（いちいち Base.show() を再実装する必要がな い） • さらに トレイト型を直接指定することで 『共通の実装を呼び出す』 という挙動も 実装可能 ⇒トレイトに上手に役割を与えれば 基本型のメソッドを呼ぶ が実現できる！ • さらに…
52. おまけ： 指定したスタイルで文字列化 • showtime() の第2 位引数違いの実装中 で showtime(io, Simple(), time) を呼ぶことで hh:mm:ss 形式で出 力できてた • ならばそれ以外を指 定すれば任意の型（<: AbstractTime） で 任意の形式で出力で きる！ Base.string(time::T; style=TimeStyle(T)) where {T<:AbstractTime} = sprint(showtime, style, time) string(mytime) #> "14:28:57" string(mytime, style=Simple()) #> "14:28:57" string(mytime, style=WithSeconds()) #> "14:28:57 (52137sec(s).)" string(mytime, style=WithMS()) #> "14:28:57.000" # `mytime2` (isa MyTime2), `mytime3` (isa MyTimeWithMS) も同様
53. ここまでのまとめ • Holyトレイト により享受される機能は 部分型多相による機能を 超える！ ◦ 部分型多相でできることは全部できるしそれ以上のことができる • @invoke と比較して ◦ サブタイピング関係に依らずに機能を提供できる（@invoke は基本型のメ ソッドしか選択出来ない） ◦ パフォーマンスはやや落ちる（ワンクッションあるのでオーバーヘッドがあり 多少は仕方ない） ◦ トレイト設計が少し面倒（設計がしっかりしていれば使う方は FooStyle(::Type{Hoge}) = Fuga() の1行を追加定義するだけ！）
54. 結論
55. 結論 • Holyトレイト（多重ディスパッチ）があるから Julia には 部分型多相 いらない！ • みんな Holyトレイト 極めよう！ • Julia 楽しいよ！
56. 参考
57. 参考文献・リンク等 • 実践Julia入門（拙著） • julialang.org（Julia 本家サイト） • 実験 notebooks（nbviewer） ◦ MyTimes.py.ipynb（Python による参考実装） ◦ MyTimeWithInvoke.jl.ipynb（@invoke 利用実装） ◦ MyTimeByHolyTraits.jl.ipynb（Holyトレイト利用実装）
58. ご清聴ありがとうございます。