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Objective-Cのブロック

Friday, March 30th, 2012

正確に言うと「ブロック」はObjective-CではなくAppleがC言語に標準として追加することを提案している機能です。ブロックとは何かというと、最近の言語だとだいたい含まれている「クロージャ」のことです。(だったら、「クロージャ」という名前にすればよいのだと思うのですが、なぜか「ブロック」という非常に一般的な言葉を選んでいます。さらに、C言語ではすでに{}で囲まれたところをブロックと呼んでいると思うのですが…)
参考にしたのは、以下のAppleの資料です。

ブロックの基本

C言語では昔から関数ポインタがあり、関数のポインタを別の関数の引数に渡したりすることができました。ただ、そのためには、関数を定義し、それを関数ポインタとして渡すという二段階の手順が必要でした。対して、RubyやC#のようにラムダ式やクロージャをインラインで定義できると、ちょっとした数行の処理を関数に渡したりすることができ便利です。

ブロックは、ブロックをコード内にインラインで定義する機能を持っています。そして、その定義したブロックを関数に渡すことができます。実際の例を以下に示します。

int calc(int a, int b, int(^f)(int, int)) {
  return f(a, b);
}

int main(int argc, const char * argv[])
{
  @autoreleasepool {
    int result1 = calc(1, 2, ^(int a, int b) {
      return a + b;
    });
  }
}

構文が今までみたことないようなものなので、少しわかりずらいですが、calc関数の呼び出しの第三引数である以下がブロックです。先頭の^がブロックであることを示しています。

^(int a, int b) {
  return a + b;
}

足し算をするブロックを定義し、それをすぐにcalc関数に渡しています。今までのC言語の関数ポインタでは、add_funcといった名前の関数を定義し、その関数ポインタをcalc関数に渡すという処理が必要でしたが、ブロックでは定義と引数として渡す処理が一緒にできます。

多くの場合は、インラインでブロックを書くことになりますが、関数ポインタのように、ブロックの参照(ブロック参照)を取得し、それを関数の引数に渡すようにすることもできます。

int calc(int a, int b, int(^f)(int, int)) {
  return f(a, b);
}

int main(int argc, const char * argv[])
{
  @autoreleasepool {
    int(^add_func)(int, int) = ^(int a, int b) {
      return a + b;
    };
    int result1 = calc(1, 2, add_func);
  }
}

main関数内では、最初にadd_funcというブロック参照を定義しています。(非常にわかりづらいですが、これでブロックを格納する変数を定義しています)

int(^add_func)(int, int);

これで、int型の2つの引数を受け取り、intを戻すブロック参照を定義したこととなります。そして、単純にブロックをこのブロック参照に代入し、そのブロック参照を別の関数の引数に渡すことができます。

注意として、ブロックの定義”int(^f)(int,int)”では、最初のintで戻り値の型を明示していますが、ブロックでは”^(int, int)”のように戻り値の型は指定しません。コンパイラがブロック定義より正しい戻り値の型を推測します

ブロックを用いて、同じ関数に違う処理をさせる例を示します。

int foreach(int data1[], int data2[], int n, int(^f)(int, int)) {
    int result = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i) {
        result += f(data1[i], data2[i]);
    }
    return result;
}

int main(int argc, const char * argv[])
{
    @autoreleasepool {
        int data1[] = {1, 2, 3, 4, 5};
        int data2[] = {2, 4, 6, 8, 10};
        // add
        int result1 = foreach(data1, data2, 5, ^(int a, int b){
            return a + b;
        });
        // sub
        int result2 = foreach(data1, data2, 5, ^(int a, int b){
            return a - b;
        });
    }
}

ブロックと変数

ブロックでは、他の言語のクロージャやラムダ式と同様に、ブロックが定義された場所で可視な変数を使うことができます(これを変数のキャプチャという)。

int foreach(int data[], int n, int(^f)(int)) {
    int result = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i) {
        result += f(data[i]);
    }
    return result;
}

int main(int argc, const char * argv[])
{
    @autoreleasepool {
        int data[] = {1, 2, 3, 4, 5};
        int value = 2;
        int result = foreach2(data, 5, ^(int a){
            return a * value;
        });
    }
}

ここで、main関数内で定義されたvalueをブロック内でキャプチャしています。ただし、value変数は読み取り専用としてしかアクセスできません。書き込みたい場合は、__blockという修飾子を付ける必要があります。

void foreach(int data[], int n, void(^f)(int)) {
    for(int i = 0; i < n; ++i) {
        f(data[i]);
    }
}

int main(int argc, const char * argv[])
{
    @autoreleasepool {
        int data[] = {1, 2, 3, 4, 5};
        int value = 2;
        __block int result = 0;
        foreach(data, 5, ^(int a){
            result += a * value;
        });
    }
}

この例では、resultを__blockを付けて宣言しています。

ブロックとメモリ管理

インラインでブロックを定義し、その場で呼び出しているだけであれば、あまりメモリ管理については気にする必要がありません。ですが、ブロックが活躍するのはコールバックや非同期処理です。これらの場合、ブロックの呼び出しは、定義した所のずっと後という可能性があります。するとキャプチャした変数が、もう解放されて、なくなっている可能性が出てきます。

ブロックに引数として渡された変数やグローバル変数は、当然ながら、ずっとブロック内から参照可能です。また、キャプチャされた変数も問題なく参照できます。

ブロック内で参照されているObjective-Cのオブジェクトは、自動的に参照カウンタ(retain counter)が+1されます。ですので、解放されることはありません。

C++のオブジェクトの場合、__block修飾子付きでスタックに作成された場合は、コピーコンストラクタでコピーが作成され、それにアクセスできます。__blockが無い場合は、constコピーコンストラクタでコピーが作成されます。

上記の変数についてはなんら問題ないことがわかります。注意するのは、スタック上のデータをポインタで参照している場合や、ヒープ上に作成したC/C++のデータをポインタで参照している場合です。これらの場合、ブロックが実行される際にメモリ上のデータが消えていないことは、開発者が保証しなければなりません。

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Objective-Cのブロック

Friday, March 30th, 2012

Objective-Cの機能のネーミングは、わかりにくい気がします。今回は名前からは想像できない機能を持つ「カテゴリ」です。

カテゴリは既存のクラスを、継承することのなく機能拡張してしまう機能です。なんと恐ろしい。

@interface MyClass : NSObject
@end

@implementation MyClass
@end

@interface MyClass (MyCategory)
-(void)print;
@end

@implementation MyClass (MyCategory)
-(void)print;
{
  NSLog(@"Hello World!");
}
@end

これで、MyClassを拡張して、新たにprintメソッドを追加しています。@interfaceと@implementationを以下のように書くところがポイントです。

@interface 拡張したいクラスの名前 (カテゴリ名)
...
@implementation 拡張したいクラスの名前 (カテゴリ名)
...

同じファイルに基のクラス定義とカテゴリの定義を書いてしまうと、すごさがわかりずらいけど、このクラスの拡張はラインタイム時に行われるので、この定義を参照しているところだけでなく、すべてのコードに反映されます。
そして、これはNSObjectやNSStringに対してもできてしまう!!
機能としてはC#のpartialクラスが近いだろうけど、C#は基のクラスもpartialにしなければならないから、最初から拡張されると定義されたクラスにしかできない。でもObjective-Cのカテゴリは関係なく、どのクラスに対してもできてしまいます。

利用シーンとしては、C#のpartialと同様に、ツールによる生成部分とソースコードを分けるために使うというのがあります。後は、それこそ、継承せずに既存のクラスを拡張してしまうという使い方ですが、これをしてしまうとコードの可読性はおそらく悪くなるのでおすすめはしません。

おそらく多くの人にとって有用なのはGoogleのコーディング規約にもあるように、クラスが内部で利用するメソッドと、外部へ公開するメソッドに分割するためにカテゴリを使うという手法でしょう。
特にObjective-C 2.0からはカテゴリ名を無名にしたクラスエクステンションという機能により、これを実現できるようになりました。MyClassを新たにクラスエクステンションを用いて、公開メソッドとプライベートメソッドに分けて定義してみます。まずはヘッダーファイル(.h)です。
MyClass.h:

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface MyClass : NSObject
-(void)print;
@end

公開メソッドであるprintしか定義がありません。次に、実装ファイル(.m)です。
MyClass.m:

#import "MyClass.h"

@interface MyClass ()
-(void)innerMethod;
@end

@implementation MyClass
-(void)print
{
    [self innerMethod];
}
-(void)innerMethod
{
    NSLog(@"Hello World!");
}
@end

ここで注意するのが以下の部分です。

@interface MyClass ()
-(void)innerMethod;
@end

括弧内にカテゴリ名を記述しないことでクラスエクステンションとなります。そして内部メソッドであるinnerMethodを定義しています。@implementationには、公開メソッドであるprintと、プライベートメソッドであるinnerMethodの両方の実装を記述しています。これで、printのみが外部からアクセスでき、innerMethodにはアクセスできなくなります。

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Objective-Cのブロック

Friday, March 30th, 2012

selectorに続いて、関連の深いmessage forwardingについて。
あるオブジェクトから他のオブジェクトに処理の委譲をしたい場合、selectorを使うと以下のように書けます。

@interface DelegateClass : NSObject
-(void)hello;
@end

@implementation DelegateClass
-(void)hello
{
    NSLog(@"Hello");
}
@end

@interface MyClass : NSObject
@property(strong, nonatomic) DelegateClass *obj;
-(void)hello;
@end

@implementation MyClass
@synthesize obj;
-(id)init
{
    obj = [[DelegateClass alloc]init];
    return self;
}
-(void)hello
{
    if([obj respondsToSelector: @selector(hello)]) {
        [obj hello];
    }
}
@end

int main(int argc, const char * argv[])
{

    @autoreleasepool {
        SEL aSelector = @selector(hello);
       
        MyClass *obj1 = [[MyClass alloc] init];
        [obj1 performSelector: aSelector];
    }
    return 0;
}

ここではMyClassのhelloメソッドの処理を、DelegateClassへ委譲しています。NSObjectのrespondsToSelectorで、そのオブジェクトがselectorに対応したメソッドを実装しているかを確認できます。
この方法だと、委譲するメソッドの数が増えるとMyClassにも同じようなことをいくつも書かなければいけないという問題があります。
ここで、message forwardingを使うと、2つのメソッド(forwardInvocationとmethodSignatureForSelector)ですべての処理を委譲できるようになります。

@interface DelegateClass : NSObject
-(void)hello;
@end

@implementation DelegateClass
-(void)hello
{
    NSLog(@"Hello");
}
@end

@interface MyClass2 : NSObject
@property(strong, nonatomic) DelegateClass *obj;
-(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;
@end

@implementation MyClass2
@synthesize obj;
-(id)init
{
    obj = [[DelegateClass alloc]init];
    return self;
}
-(NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{
    if ([obj respondsToSelector: aSelector]) {
        return [obj methodSignatureForSelector: aSelector];
    }
    return [super methodSignatureForSelector: aSelector];
}
-(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;
{
    if([obj respondsToSelector: [anInvocation selector]]) {
        [anInvocation invokeWithTarget: obj];
    }
    else {
        [super forwardInvocation:anInvocation];
    }
}
@end

int main(int argc, const char * argv[])
{

    @autoreleasepool {
        SEL aSelector = @selector(hello);
       
        MyClass2 *obj2 = [[MyClass2 alloc] init];
        [obj2 performSelector: aSelector];
    }
    return 0;
}

MyClass2にselectorでメッセージングした際、もしそのselectorに対応できるメソッドが無い場合、まずmethodSignatureForSelectorが呼び出されます。ここで、DelegateClassの対応するメソッド(今回はhelloメソッド)のメソッドシグネチャーを返します。次にforwardInvocationが呼び出されるので、実際にDelegateClassのオブジェクトのhelloメソッドを呼び出します。このやり方ですとDelegateClassに新しいメソッドが追加されてもMyClass2への変更はいらなくできます。

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Objective-Cのブロック

Friday, March 30th, 2012

Objective-Cのちょっと他には無い機能について、自分自身のメモのためにも書き留めておこうと思います。
まずは、selectorから。
C/C++の関数ポインタに近いですが、動的言語としての面も持ち合わせているObjective-Cらしい所もあり、Javaのリフレクション/イントロスペクションの方が近いかもしれません。

@interface MyClass : NSObject
-(void)hello;
@end

@implementation MyClass
-(void)hello
{
  NSLog(@"Hello");
}
@end

int main(int argc, const char * argv[])
{
    @autoreleasepool {
        SEL helloSelector = @selector(hello);

        MyClass *aObj = [[MyClass alloc] init];
        [aObj performSelector: helloSelector];
    }
    return 0;
}

MyClassというクラスにhelloというメソッドがあります。これを、通常のメッセージングではなく、selector経由で呼び出しています。そのためには、まずメソッドhelloのselectorを取得します。

SEL helloSelector = @selector(hello);

“@selector(メソッド名)”でselectorを取得し、SELという特別なselectorを格納するための型の変数を宣言し、そこに代入します。
selectorを用いたメソッド呼び出しは、NSObjectのperformSelectorを使います。

[aObj performSelector: helloSelector];

Javaのリフレクション/インストロスペクションに近いというと、文字列でメソッドを呼び出したいですが、NSSelectorFromStringを用いると文字列でselectorを生成できます。

SEL helloStringSelector = NSSelectorFromString(@"hello");

MyClass *aObj = [[MyClass alloc] init];
[aObj performSelector: helloStringSelector];

このSEL型ですが、おもしろいのはどのクラス定義とも関連づけられていなく、純粋なメソッドの定義から作られているということです。どういうことかというと、以下のように異なるMyClassとMyClass2に対しても、同じメソッド定義ならば、同じselectorが使えます。

@interface MyClass : NSObject
-(void)hello;
@end

@implementation MyClass
-(void)hello
{
  NSLog(@"Hello");
}
@end

@interface MyClass2 : NSObject
-(void)hello;
@end

@implementation MyClass2
-(void)hello
{
  NSLog(@"Hello");
}
@end

int main(int argc, const char * argv[])
{
    @autoreleasepool {
        SEL helloSelector = @selector(hello);

        MyClass *aObj = [[MyClass alloc] init];
        [aObj performSelector: helloSelector];
        MyClass2 *obj2 = [[MyClass2 alloc] init];
        [obj2 performSelector: helloSelector];
    }
    return 0;
}

Javaのリフレクションでは、java.lang.reflect.Methodは、クラス定義と紐づいているのでこういったことはできません。

そのためか、引数を持つメソッドの場合、引数を持つということも含めて指定してselectorを作成する必要があります。

@interface MyClass : NSObject
-(void)hi:(NSString*)name;
@end

@implementation MyClass
-(void)hi:(NSString*)name;
{
    NSLog(@"Hi, %@", name);
}
@end

int main(int argc, const char * argv[])
{
    @autoreleasepool {
        MyClass *aObj = [[MyClass alloc] init];

        SEL hiSelector = @selector(hi:);
        [aObj performSelector: hiSelector withObject: @"John"];

        SEL hiStringSelector = NSSelectorFromString(@"hi:");
        [aObj performSelector: hiStringSelector withObject: @"John"];
    }
}

@selector(hi:)のようにコロン(:)を一つ含めていることで、引数を一つ持つメソッドであることを宣言しています。引数が二つになればコロンが二つになります。

@interface MyClass : NSObject
-(void)hi:(NSString*)name name2:(NSString*)name2;
@end

@implementation MyClass
-(void)hi:(NSString*)name name2:(NSString*)name2
{
    NSLog(@"Hi, %@ and %@", name, name2);
}
@end

int main(int argc, const char * argv[])
{
    @autoreleasepool {
        MyClass *aObj = [[MyClass alloc] init];

        SEL hiTwoArgsSelector = @selector(hi:name2:);
        [obj2 performSelector: hiTwoArgsSelector withObject: @"John" withObject: @"Bill"];

        SEL hiTwoArgsStringSelector = NSSelectorFromString(@"hi:name2:");
        [obj2 performSelector: hiTwoArgsStringSelector withObject: @"John" withObject: @"Bill"];
    }
}

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Objective-Cのブロック

Friday, March 30th, 2012

Channel9にて公開されているC++ and Beyond 2011の動画にて、Andrei Alexandrescu、Scott Meyers、Herb Sutterの三名が、C++ and Beyond 2011の参加者からの質問に回答している。
その中で4:34からの「On shared_ptr performance and correctness」が興味深い。
質問の主旨としては、shared_ptrを関数やメソッドへ渡す場合、const参照で渡すべきかどうかということらしい。つまり、

void func(std::shared_ptr<std::string> s)
{
  ...
}

int main(int argc, char* argv[])
{
  std::shared_ptr<std::string> s = ...;
  func(s);
}

とするか、const参照にして以下のように渡すか、

void func(const std::shared_ptr<std::string> &s)
{
  ...
}

int main(int argc, char* argv[])
{
  std::shared_ptr<std::string> s = ...;
  func(s);
}

どちらがよいかということである。違いが出てくるのは速度である。const参照で渡さない場合、C/C++は値渡し(pass by value)が基本なので、関数の引数として渡すだけでshared_ptrのコピーが行われ、参照カウンタが+1されてしまう。対して、const参照で渡した場合、当然ながら参照渡し(pass by reference)なので+1されない。
Channel9の動画の中では、const参照で渡しなさいとのことである。

実際に、両方のパターンをQueryPerformanceCounterを使って時間計測してみたが、const参照で渡すケースはさすがに動作が速く、QueryPerformanceCounterでも測れませんでした。
実際のアプリケーションでどれだけの性能差が出るかは微妙ですが、Channel9の動画の質問者の環境では10%未満の差とのことです。
性能が向上するのは確かなので、shared_ptrを渡す際はconst参照で渡すが正しいようです。

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Objective-Cのブロック

Friday, March 30th, 2012

土曜日に「Just Do(土) It. × foursquareもくもく会」があったので、飛び入りで参加。せっかくだから、C++でFoursquareのVenues Platform APIにアクセスするAPIを作成しました。無駄にするのももったいないので、需要があるのかわかりませんが、それなりの形にまとめて公開することにしました。ソースコードはCodePlexで公開しています。内部では、WinHTTPでGETリクエストを送り、JSON CPPでJSONをパースしています。

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Objective-Cのブロック

Friday, March 30th, 2012

New application ‘Game of Life 3D’ released.