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| 2 | +title: HIW 2019で発表された、Copilotという内部DSLについて |
| 3 | +subHeading: ～HIW 2019参加レポート その4～ |
| 4 | +headingBackgroundImage: ../../img/background.png |
| 5 | +headingDivClass: post-heading |
| 6 | +author: Yuji Yamamoto |
| 7 | +postedBy: <a href="http://the.igreque.info/">Yuji Yamamoto(@igrep)</a> |
| 8 | +date: October 1, 2019 |
| 9 | +tags: Haskell Implementors' Workshop |
| 10 | +... |
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| 12 | + |
| 13 | +[前回](/posts/2019/hiw-gibbon.html)から引き続き、[Haskell Implementors' Workshop 2019](https://icfp19.sigplan.org/home/hiw-2019#About)への参加レポートとして、私の印象に残った発表を紹介します。 |
| 14 | +今回は、[Copilot](https://copilot-language.github.io/)という、C言語のコードを生成するHaskell製内部DSLについての発表です。 |
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| 16 | +# Copilot 3.0: a Haskell runtime verification framework for UAVs |
| 17 | + |
| 18 | +発表者: Frank Dedden *Royal Netherlands Aerospace Center*, Alwyn Goodloe *NASA Langley Research Center*, Ivan Perez *NIA / NASA Formal Methods* |
| 19 | + |
| 20 | +Haskell製の内部DSLからC言語のソースコードを生成する、[Copilot](https://copilot-language.github.io/)の紹介です。 |
| 21 | +似た謳い文句の内部DSLとして[ivory](http://hackage.haskell.org/package/ivory)がありますが、Copilotは、ハードウェアの実行時検証を行うC言語のコードを生成することに、より特化しています。 |
| 22 | +「センサーから信号を受け取って、一定の条件を満たした場合に何らかの処理を実行する」という処理をHaskellで宣言的に記述すると、メモリの消費量・実行時間において常に一定なC言語のコードを生成することが出来ます。 |
| 23 | + |
| 24 | +メモリが限られていて、リアルタイムな処理が必要なハードウェアにとって「邪魔にならない監視」を実現するための必須条件なのでしょう。 |
| 25 | +現状HaskellはGCが必要であるといった制約もあり、リアルタイムな処理や厳格なメモリー管理が必要な機器での採用は難しいですが、Ivoryや今回発表されたCopilotはあくまでも「C言語のコードを生成するだけ」なので、生成するHaskellではメモリー管理をする必要がありません。 |
| 26 | +にっくきスペースリークに悩まされる心配もないのです。 |
| 27 | +こういったHaskell製内部DSLは、Haskellの持つ強い型付けによるメリットを享受しながら、変換した言語の実行時におけるパフォーマンスを出しやすい、といういいとこ取りなメリットがあるので、もっと広まってほしいユースケースですね。 |
| 28 | + |
| 29 | +# Copilotを試してみる |
| 30 | + |
| 31 | +- ℹ️ 実際に使用したコードは[Haskell-jp BlogのGitHubのリポジトリー](https://github.com/haskell-jp/blog/tree/master/examples/2019/hiw-copilot)にあります。 |
| 32 | +- ℹ️ 使用したcopilotパッケージのバージョンは、3.0.1です。 |
| 33 | +- ℹ️ サンプルコードの解説については、notogawaさんのアドバイスも参考になりました<small>（[Haskell-jpのslack-logではこのあたり](https://haskell.jp/slack-log/html/C4M4TT8JJ/46.html#message-1554858057.072700)。執筆時点でCSSが当たってないため読みづらいですが一応）</small>。ありがとうございます！ |
| 34 | + |
| 35 | +せっかくなんでCopilotを試してみましょう。 |
| 36 | +公式サイトにあったサンプルコードそのまんまですが、生成されるCのコードを眺めてみます。 |
| 37 | + |
| 38 | +👇のコマンドでサンプルコードが入ったリポジトリーをgit cloneした後、 |
| 39 | + |
| 40 | +```bash |
| 41 | +git clone https://github.com/haskell-jp/blog |
| 42 | +cd blog/examples/2019/hiw-copilot |
| 43 | +``` |
| 44 | + |
| 45 | +👇のコマンドでビルド・C言語によるコードの生成できるはずです。 |
| 46 | + |
| 47 | +```bash |
| 48 | +stack build copilot |
| 49 | +stack exec runghc heater.hs |
| 50 | +``` |
| 51 | + |
| 52 | +こちらが生成元のHaskellのコードです。 |
| 53 | + |
| 54 | +```haskell:heater.hs |
| 55 | +import Language.Copilot |
| 56 | +import Copilot.Compile.C99 |
| 57 | + |
| 58 | +import Prelude hiding ((>), (<), div) |
| 59 | + |
| 60 | +temp :: Stream Word8 |
| 61 | +temp = extern "temperature" Nothing |
| 62 | + |
| 63 | +ctemp :: Stream Float |
| 64 | +ctemp = (unsafeCast temp) * (150.0 / 255.0) - 50.0 |
| 65 | + |
| 66 | +spec = do |
| 67 | + trigger "heaton" (ctemp < 18.0) [arg ctemp] |
| 68 | + trigger "heatoff" (ctemp > 21.0) [arg ctemp] |
| 69 | + |
| 70 | +main = reify spec >>= compile "heater" |
| 71 | +``` |
| 72 | + |
| 73 | +まず、`temp`と`ctemp`という識別子に定義した式が、センサーが発信する、連続的に変化する値を表しています。 |
| 74 | +Copilotの言葉はこれを`Stream`と呼んでいます。 |
| 75 | + |
| 76 | +`spec`という識別子で定義している式が、「どのセンサーから信号を受け取って、どんな条件を満たした場合にどの処理を実行するか」規定しているようです。 |
| 77 | +👆の場合、`ctemp`という`Stream`が`18.0`を下回ったら`heaton`というイベントを発火し、`21.0`を超えたら`heatoff`というイベントを発火する、と定めているわけですね。 |
| 78 | +そして`main`関数で実行している`reify spec >>= compile "heater"`という箇所で、`.h`ファイルと`.c`ファイルを書き込んでいます。 |
| 79 | + |
| 80 | +そして、生成されたヘッダーファイル`heater.h`がこう👇 |
| 81 | + |
| 82 | +```c:heater.h |
| 83 | +extern uint8_t temperature; |
| 84 | +void heatoff(float heatoff_arg0); |
| 85 | +void heaton(float heaton_arg0); |
| 86 | +void step(void); |
| 87 | +``` |
| 88 | +
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| 89 | +で、肝心のCのコード本体`heater.c`がこちらです。 |
| 90 | +
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| 91 | +```c:heater.c |
| 92 | +#include <stdint.h> |
| 93 | +#include <stdbool.h> |
| 94 | +#include <string.h> |
| 95 | +
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| 96 | +#include "heater.h" |
| 97 | +
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| 98 | +static uint8_t temperature_cpy; |
| 99 | +
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| 100 | +bool heatoff_guard(void) { |
| 101 | + return ((((float)(temperature_cpy)) * ((150.0) / (255.0))) - (50.0)) > (21.0); |
| 102 | +} |
| 103 | +
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| 104 | +float heatoff_arg0(void) { |
| 105 | + return (((float)(temperature_cpy)) * ((150.0) / (255.0))) - (50.0); |
| 106 | +} |
| 107 | +
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| 108 | +bool heaton_guard(void) { |
| 109 | + return ((((float)(temperature_cpy)) * ((150.0) / (255.0))) - (50.0)) < (18.0); |
| 110 | +} |
| 111 | +
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| 112 | +float heaton_arg0(void) { |
| 113 | + return (((float)(temperature_cpy)) * ((150.0) / (255.0))) - (50.0); |
| 114 | +} |
| 115 | +
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| 116 | +void step(void) { |
| 117 | + (temperature_cpy) = (temperature); |
| 118 | + if ((heatoff_guard)()) { |
| 119 | + (heatoff)(((heatoff_arg0)())); |
| 120 | + }; |
| 121 | + if ((heaton_guard)()) { |
| 122 | + (heaton)(((heaton_arg0)())); |
| 123 | + }; |
| 124 | +} |
| 125 | +``` |
| 126 | + |
| 127 | +先ほど`Stream`として定義した値のうち、`temp`は、`temperature`というグローバル変数と、それを一時的に保存する`temperature_cpy`という二つの変数に翻訳されました。 |
| 128 | +`spec`において`trigger`という関数で列挙した「どのセンサーから信号を受け取って、どんな条件を満たした場合にどの処理を実行するか」というルールは、`step`という関数に現れたようです。 |
| 129 | +この関数を利用する側では、`heaton`関数と`heatoff`関数を別途定義した上で、`temperature`にセンサーから受け取った値を代入して`step`を呼ぶことによって、`temperature`の値が条件に一致したとき、`heaton`関数と`heatoff`関数を実行してハードウェアの制御ができるのでしょう。 |
| 130 | +Haskell側で定義したもう一つの`Stream`、`ctemp`は、`heaton_guard`、`heaton_arg0`、`heatoff_guard`、`heatoff_arg0`、それぞれの関数に書かれた、`temperature_cpy`の値を変換する式に現れているようです。 |
| 131 | + |
| 132 | +正直なところこの程度であれば、直接Cで書いた方が余計なカッコもないし読みやすそうではあります。 |
| 133 | +`temp`を`ctemp`に変換する式`(150.0 / 255.0) - 50.0`が変換後のソースコードでは冗長に適用されていることから、もっと最適化できそうですし。 |
| 134 | +とはいえ、わざわざDSLを作ったからには、より複雑で、Haskellでなければ書いてられないようなケースが、Copilotの開発者の現場ではあるのでしょう<small>（なんせNASAの方も関わっているぐらいですから！）</small>。 |
| 135 | +詳しいユースケースや、ビルド時のフローといった運用方法を聞きたいところですね。 |
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