Ruby 3の型推論やってます

Ruby 3の型推論やってます
遠藤侑介
Ruby 3 さみっと
1

雑談：endless新作
• ruby masterに新文法提案して仮採択されました
• Endless method definition [Feature #16746]
• この資料でもさっそく使っていきます！
• と思ったけど、脳負荷がありそうなので控えめに
2
def foo = 42
def foo
42
end
= と同じ

Ruby 3の型を1ページで
Ruby 3は型記述言語・型推論・型検査を提供したい
3
def inc:
(Integer) -> Integer
① 型記述言語
(RBS; ruby-signature)
def inc(n) = n+1
コード
② 型推論
(ruby-type-profiler)
③ 型検査
(Steep, Sorbet, …)
この発表では
②型推論を
話します

Ruby 3の型推論を1ページで
• 型プロファイラ：型レベルのRubyインタプリタ
• メソッドが受け取った型・返した型を集めて表示する
4
def foo(n)
n.to_s
end
foo(42)
Integer
String
def foo:
(Integer) -> String

いい感じのデモ：ao.rb
• 3Dレイトレーサ
• 300行のトイプログラム
• Syoyo Fujita, Hideki Miura作
• https://code.google.com/
archive/p/aobench/
• 若干改変あり
5

Demo: ao.rb
6
class Vec
@x : Float
@y : Float
@z : Float
initialize : (Float, Float, Float) -> Float
x : () -> Float
x= : (Float) -> Float
...
vadd : (Vec) -> Vec
vsub : (Vec) -> Vec
vcross : (Vec) -> Vec
vdot : (Vec) -> Float
vlength : () -> Float
vnormalize : () -> Vec
3Dベクトルのクラス
ベクトル演算たち
座標
attr_accessor

Demo: ao.rb
7
class Scene
@spheres : [Sphere, Sphere, Sphere]
@plane : Plane
initialize : () -> Plane
ambient_occlusion : (Isect) -> Vec
render : (Integer, Integer, Integer) -> Integer
end
class Sphere
@center : Vec
@radius : Float
initialize : (Vec, Float) -> Float
intersect : (Ray, Isect) -> (NilClass | Vec)
end
3つの球
球は中心と半径

Demo: ao.rb
8
class Ray
@org : Vec
@dir : Vec
initialize : (Vec, Vec) -> Vec
org : () -> Vec
dir : () -> Vec
end
class Isect
@t : Float
@hit : FalseClass | TrueClass
@pl : Vec
@n : Vec
initialize : () -> Vec
光線は起点と方向
交点の判定・計算
交わるか否か
boolean相当

Demo: ao.rb
• いい感じでは？
9

アジェンダ
• ➔型プロファイラの設計と性質
• 目標とアプローチ
• 普通の型システムとの違い
• デモと考察
• 型プロファイラの実装や工夫
• 今後
10

型プロファイラの目標とアプローチ
• 目的：型注釈なしRubyコードを静的解析する
• 主目的：型記述（RBS）のプロトタイプを作る
• 副目的：型エラーの可能性も指摘したい
• アプローチ：抽象解釈ベースの解析
11
def foo(n)
n.to_s
end
foo(42)
Integer
String
def foo:
(Integer) -> String

普通の型システムとの違い
• 普通の型システムはメソッド単位で解析する
• 仮引数の型はどうする？
• 手書きする（TypeScript他）
• 我々の目的には合わない
• 使われ方を見て決める（ML他）
• 右のような例で難しい
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class A
def foo = 42
end
class B
def foo = "str"
end
def f(n)
n.foo #=> 何？
end

型プロファイラの pros/cons
pros
•型注釈なしで解析可能
※ただし～（後で）
cons
•解析が遅い
•テストが必要
•誤推定はある
•解析の理解が難しい
•開発体験が未知
めちゃくちゃ挑戦的！
13

アジェンダ
• 型プロファイラの設計と性質
• ➔デモと考察
• diff-lcs
• ruby-type-profiler
• 今後
14

事例：diff-lcs
• 最長共通部分列ライブラリ
• ダウンロード数4位の人気gem→
• 簡単なテスト↓を起点に解析
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https://bestgems.org/
require_relative "diff-lcs/lib/diff/lcs"
class T; end
Diff::LCS.diff([T.new]+[T.new], [T.new]+[T.new]) {}

diff-lcsで出た警告の例
• flow-sensitiveな解析が必要
※実際にはもっといっぱい出てます
個別に原因究明して、修正や改善検討をする……
18
if callbacks.respond_to?(:finished_a) and …
…
callbacks.finished_a(event)
#=>「NilClass#finished_aを呼ぶかも」警告が出る
…
else

事例：type-profiler
• 型プロファイラのコード
• Rubyで書かれている（5000行くらい）ので
• 型プロファイルできる
19

type-profiler解析結果（難しい例）
• 再帰構造がfalse positiveになる例
• ExecutionPoint (EP)は外側のEPへの参照を持つ
21
class TypeProfiler::ExecutionPoint
…
@outer : NilClass | TypeProfiler::ExecutionPoint | any
# 一番外側のEPをたどるコード
ep = EP.new(…)
while ep.outer
ep = ep.outer #=>「NilClass#outerを呼ぶかも」警告が出る
end
ep.pc #=>「NilClass#pcを呼ぶかも」警告が出る

type-profilerその他問題点（抜粋）
• 巨大なUnionが出てきてつらい
• 継承関係を利用してまとめる？
• 型のエイリアスをうまく作る？
• Object#method経由の呼び出しが追えない
• 作り込みが足らない
※実際にはもっといっぱい（略）
22
(TP::Type | TP::Type::Any | TP::Type::Array | … | any)

FAQ
• X | any は any と同じでは？
• おっしゃるとおり
• でもRBSプロトタイプ生成には便利なので
あえて潰さずに残している
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アジェンダ
• デモと考察
• ➔型プロファイラの実装や工夫
• 扱う型
• 分岐、可変長引数やキーワード引数
• ダミー実行や診断機能
• 今後
24

扱う型：普通のやつ
• 普通のインスタンス
• NilClass、Integer、String、Objectなど
• ユーザ定義クラス
• 普通のクラスオブジェクト
• クラスメソッド定義などで必要
• クラスのクラスや、特異クラスは扱わない
• any型
• 未定義メソッド呼出、ダミー実行（後述）などで発生
• anyのメソッド呼び出し（any.foo()）は無視する
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扱う型：コンテナ周り
• 具体型：Symbol、リテラル型
• :key などは具体値として扱う
• 整数 42 などは同一メソッド内では具体値として扱う
• コンテナ型：配列とハッシュ
• [X, Y, *Z]: 先頭はX型、次はY型、残りはZ型の配列
• [Integer, String]: 整数と文字列のタプル（ary[0]は先頭）
• [*Integer]: 長さ不明の整数シーケンス
• （RBSより表現力が少し強いので、RBSにするとき情報が落ちる）
• {X=>Y, Z=>W}: キーがX型なら値はY型…、なハッシュ
• {:key1=>Integer, Symbol=>String}
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扱う型：その他
• Proc型: ブロック、具体値として扱う
• callやyieldをなるべく正確にトレースするため
• Union型: 型の和集合の型
• (Integer | String) : 整数か文字列
• 工夫（というか制限）
• ([*Integer] | [*String])は[*(Integer|String)]に潰す
• 不正確だけど、組合せ爆発を避けて解析高速化を選んだ
27

分岐の扱い
• 両方実行して、Union型で合流する
※解析を確実に合流させるのは意外と難しく、ヒューリスティクスを使ってる（PCが小さい方から解析する）
28
x = nil
if rand < 0.5
x = 42
else
x = "str"
end
p(x) #=> Integer|String

可変長引数とキーワード引数
• なんかそれっぽく動く（実装は地味に大変だった）
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def foo(a, *r, z)
r
end
foo(1, 2, 3)
foo(1, 2, "S", 3)
def foo:
(Int, *Int|Str, Int)
-> Array[Int|Str]
def foo(n:, s:)
{ N: n, S: s }
end
foo(n: 42, s: "str")
def foo:
(n: Int, s: Str)
-> {:N=>Int, :S=>Str}

「ダミー実行」(1)
• 解析が到達できないメソッドは解析できない
• ダミー実行：未到達メソッドを無理やり実行する
• 引数はすべてanyとする
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def foo(n)
n
end
def bar(a, b, c)
foo(42)
end
fooもbarも
テストがない
ここにfooのヒントが
あるけど使えない

「ダミー実行」(2)
• ダミー実行は良し悪し
• ゴミ情報が波及することも
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# ao.rb抜粋
class Vec
# このメソッドは使われない
def vadd(b) # b: any
Vec.new(
@x + b.x, # any
@y + b.y, # any
@z + b.z, # any
)
end
end
class Vec
@x: Float | any
@y: Float | any
@z: Float | any
# 今はチートコードを追加（広義の型注釈？）
if _ = false
v = Vec.new(0.0,0.0,0.0)
v.vadd(v)
end
vaddをanyで呼び出すので
@xにanyが記録される
記録されない特殊な
anyで解決できる？

解析の診断機能
• pで型をrevealできる
• 「ここにどんな型が来ると思ってる？」とか調べる
• 解析到達経路をバックトレース風に表示する機能
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def foo(n)
p n
end
foo(1)
foo("str")
# Revealed types
# reveal.rb:2 #=> Integer | String
# Classes
class Object
foo : (Integer | String) -> (Integer | String)
end

困難に対して
• 解析が遅い ➔ （精度を犠牲にしつつ）高速化してきた
• テストが必要 ➔ （荒削りだけど）ダミー実行
• 誤推定・誤検出 ➔ （限界はあるけど）改善中
• 解析の理解が難しい ➔ （簡単だけど）診断機能
• 開発体験が未知 ➔ ？
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アジェンダ
• デモと考察
• ➔今後
• 型プロファイラによるプログラミング体験
• 開発進捗と今後の予定
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polyglot
• 2つの言語で解釈可能なプログラム
• 例：RubyとJavaScriptのpolyglot
• コツ：片方の言語だけで解釈されるように頭を使う
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if (0)
print("Hello Ruby") [ここはRuby]
else
console.log("Hello JS") [ここはJS]
// end

型はpolyglot
• 型付き言語のプログラムはpolyglot
• インタプリタが動的な意味で解釈できる
• さらに、型システムが静的な意味で解釈できる
• 型注釈はチート（polyglotの観点では）
• 型システムだけに指示を与えられるずるい記述
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型プロファイラの開発体験？
• ずるくないpolyglot
• 普通の実行に加え、型レベル実行を意識して書く
• 別言語ではないのでそこまでつらくないと思う
• それでもメリットはある（はず）
• 型注釈なしの記述は疑いなくシンプル
• 型プロファイラが解析できる≒素直な良いコード？
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def foo(n: Integer | String) : Integer | String
p n
end
foo(1)
foo("str")
def foo(n)
p n
end
foo(1)
foo("str")
vs.

進捗と今後
• 現状：やっとスタート地点
• 解析器の基本設計ができた
• Rubyのおおよその言語機能がサポートできてきた
• 組み込みクラスの知識をRBSから取り込んだ
• 今後：実験と改善を繰り返す
• バグの洗い出しと修正
• プログラミング体験の設計と不足機能の実装
• 診断機能、差分更新機能
• Railsアプリ解析用のドライバ開発
• など
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まとめ
• Ruby 3は型記述言語・型推論・型検査を提供し
たい
• 型推論担当の型プロファイラをやってます
• （寛容な心で）手伝ってくれる人たのむ！
• https://github.com/mame/ruby-type-profiler
• ruby-jp slack の #types でも
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説明しなかったこと
• オーバーロードの推定は諦めた
• 爆発する
• オーバーロードするときは基本的に手書きして
• 再帰呼び出しはいい感じにできる
• でも再帰的なデータ構造のハンドリングは微妙
• カスタムメソッド
• 型プロファイラプラグイン
• インスタンス変数の配列の破壊
• を説明するには、まずコンテナ型がメソッドを跨がらな
いことを説明しないと……
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