はじめに

ROS2では、主にC++、Pythonの２つ言語で記述することが多いです。これは、ROSのノードを記述する際のクライアントライブラリに依存しています。ROS２のコアチームがこれらの開発を行っていますが、有志によるコミュニティによって、RustやC#などの言語に対応したクライアントノードも作成されています。他にもJavaやJavaScriptなどの言語ともブリッジを介して通信できます。

Roboticsの分野では、実行時間が性能の指標として重視されます。そのため、多くのライブラリ等ではC++が選択されています。この点において、並列性や安全性も良いRustが近年注目を浴びています。今回は、C++、Python、Rustに焦点を当て、（＋他の言語もちょっとだけ）どのようなケースでどの言語を選択するか、言語ごとのROS2におけるユースケースを探っていきたいと思います！！

あくまで個人的な意見なので、参考までに。ご意見等はコメントいただけると嬉しいです！！

各言語の特徴

C++

多くのロボット系のライブラリ（ROS2含め）はC++で書かれていることが多いです

長所

高速で、低レイヤーを含めた制御性が高い
リアルタイム性が高い

短所

メモリ管理が課題ですが、最近ではスマートポインタやRAIIなどで安全面を確保する動きがあります
一応ビルドしてライブラリとして配布できますが、エコシステムが依然として古典的で悪い（gitやaptで入手）
実行ファイルの依存関係が大きい

Python

長所

開発のしやすさ
豊富なライブラリ（NumPy、PyTorch、OpenCV、scikit-learnなど）
uvやPixiといったパッケージ管理ツールが優秀（特にAI周り）

短所

インタプリタで実行するので、速度が課題（特に数値計算など）
メモリの安全性はありますが、実行時エラーが起こりやすく、テストケースを作成したり、デバッグが大変
GIL（Global Interpreter Lock）によりマルチスレッド性能が弱いため、並列処理ではプロセス分割が前提

Rust

長所

コンパイル時にデータ競合を防ぎ、マルチスレッドの安全性が高い
エラーハンドリングがしやすい
GC（ガベージコレクション）がないため、C++に並ぶ速度を発揮できる
Cargoによるパッケージ管理が非常に強力
低レイヤーから高レイヤーまで対応できる

短所

他の２つに比べて情報源が少ない
ライブラリの数が少ない
公式サポートされておらず、Stableでない

どれを選ぶ？？

以上をふまえて、各言語を使う場面を考えてみたいと思います（あくまで筆者の考えです）。

C++を使う場面

リアルタイム性や計算量が大きいところで極限性能が必要なとき
ハードウェアとの密結合が必要なとき
既存のC++資産を活用したいとき

通信遅延やスループットを考慮すると、性能面ではやはりC++が最速です。しかし、昨今のRustの発展を鑑みると、リソースの制限が厳しいときやハードウェアに近く、C++のライブラリを用いて開発したいときに適していると思います。

Pythonを使う場面

プロトタイピング
AI・ML、データ解析、画像処理
GUI作成
launch ファイル

AIが関わるときは基本的にPythonで記述することが多くなると思います。リソースや速度を考慮しない場面では、とりあえずPythonでいいかもしれません（AIがコーディングしやすいだろうし）。

Rustを使う場面

高信頼・高安全性が求められる
並列処理・大規模システム
高速かつ安全なロボットソフトウェアを作りたい

使用するツールやライブラリに問題がなければ、Rustで作るのが安全で性能や管理の面でも良いです。特に、クリティカルシステム（自動運転、産業ロボット、インフラシステムなど）をROS2で構築する場合はRustが適しているかもしれません。

その他の言語

以下のものは一例で、他にも色々な言語とROS2を連携できます。組み合わせによっては様々な応用が可能になると思います！

そういえば、Rustと位置付けが近いZigという言語がC++の代替として一時期話題となっていましたね。リリースが安定したらこれらに加わるかもしれませんね！

C#

rclcsといった.NET バインディングのRCLがあります。Unityと相性がいいので、Unityでロボットのシミュレーションが可能です。

Java

JVMやAndroid用のclient libraryや、Zenohを使っても通信できます。Android端末で制御・可視化した場合やJavaのサーバーと連携がしやすいです。

JavaScript

WebSocket Bridgeで通信を行うのが一般的だと思います。Webアプリやクラウドとの連携用途として考えられます。

ROS2の課題

ROS2が複数の言語に対応しているのは、ROS Client Library(RCL)の思想に基づいているからです。共通のRCL機能はC言語インターフェースで提供し、他の言語はこれをラッパーします。これにより、異なる言語でノードを書いてもそれらのノード間で通信が可能となります。しかし、C言語やC++のエコシステムが悪く、ここがROS2のボトルネックになっていることも否めません。他にも以下のような課題が挙げられます。

リアルタイム性への対応が難しい（DDSが非決定性を持つ）
DDSによるネットワークの問題（NAT超え、負荷、ベンダー間互換）
分散システムにおける挙動の再現性が低い
可視化ツールの安定性
多すぎる抽象化
セキュリティが十分ではない（DDS Securityも複雑）
AIツール周りと相性が悪いときがある
DDS、シリアライズ、アプリケーションレイヤーなどでのオーバーヘッド

DDSの問題にはZenohなど、一部機能を代替する手段も出ています。最近では、AIとの統合が容易で、データフロー指向であるdora-rsがROS2の代替として注目を浴びています。Pythonで記述したROS2コードと比較して、最大17倍速いそうです。ROS2の課題については、コミュニティでも様々な議論が展開されています。

まとめ

今回はROS2でどの言語を使用するかについて考えてみました。言語によって一長一短があり、用途によって使用する言語が異なると思いますが、やはりRustの期待値は大きいですね！パッケージ管理ツールをはじめとした多くのツールで高速なRustが採用されています。RosConなど様々なところで今後のROSのアーキテクトに関する議論が進んでいますが、仮にROS3が出る場合、Rustが中核になる可能性も高いと思います！！
各言語の使用場面や用途について、ぜひコメントいただけるとうれしいです！！✨