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fpm (Fortran Package Manager)をBuilder兼Runnerとして利用する

Last updated at Posted at 2020-06-13

概要

本記事では，fpmのインストールと，簡単な使い方を解説します．

fpm (Fortran Package Manager)は，Fortran-langプロジェクトの一環として開発されているパッケージマネージャです．将来的には，リモートにあるリポジトリを取得して，ビルド，インストールするところまでを目指しています．また，ユーザがビルドシステムの設定で悩まないよう，プロジェクトの構造を標準化することも目指しています．

Fortran-langプロジェクトがFortranに関するプロジェクトの調査をしていますが，パッケージマネージャとして機能するのはしばらく先になりそうです．一方，fpmの機能を確認すると，プロジェクトのビルドや実行を短いコマンドで実現できる，Builder兼Runnerとしては使えることが判りました．

追記：
バージョン0.5.0での使い方を別記事にまとめました．

環境

  • Ubuntu 18.04
  • fpm prototype version
  • gfortran 7.5
  • Haskell stack 2.3.1
  • git 2.17.1

fpmのインストール

fpmはHaskellで記述されており，インストールにもHaskell (Haskell Stack)が使われます．
インストール手順は公式のREADMEに大体書いてあるのですが，必要なライブラリについては漏れがあるので，それも含めたインストール手順を記します．

fpmのインストール時にはgitを使うので，gitは事前にインストールしておいてください．また，fpmはプロジェクトのビルドにgfortranを利用するので，gfortranについても事前にインストールしておいてください．

  1. GNU Multiple Precision Arithmetic Library Developers Toolsのインストール
  2. Haskell Stackのダウンロードと展開
  3. fpmのインストール

fpmのREADMEには，必要なソフトウェアの要件が書かれていませんが，GNU Multiple Precision Arithmetic Library (GMP)がないとHaskell Stackのインストール時にエラーが出るので，予めインストールしておきます．

Linking /home/hoge/.stack/setup-exe-cache/x86_64-linux/tmp-Cabal-simple_mPHDZzAJ_2.4.0.1_ghc-8.6.5 ...
/usr/bin/ld.gold: エラー: -lgmp が見つかりませ

GNU Multiple Precision Arithmetic Library Developers Toolsのインストール

GMP Developers Toolsのインストールをインストールします．
Ubuntuを利用している場合は，aptで簡単にインストールできます．

$ sudo apt install libgmp-dev

Haskell Stackのダウンロードと展開

Haskell Stackのtar.gzファイルをダウンロードし，展開した後，パスを通しておきます．著者は，ホームディレクトリの下にlibフォルダを作り，そこにダウンロードして展開しました．

$ cd ~
$ mkdir lib
$ cd lib
$ wget https://get.haskellstack.org/stable/linux-x86_64-static.tar.gz
$ tar xaf linux-x86_64-static.tar.gz
$ cd linux-x86_64-static
$ export PATH=$PATH:`pwd`

fpmのインストール

GitHubからfpmのリポジトリをクローンし，stackを利用してbuildします．このとき，GHC (The Glasgow Haskell Compiler)のダウンロードも行われるので，かなり時間がかかります．気長に待ちましょう．

$ cd ~/lib
$ git clone https://github.com/fortran-lang/fpm
$ cd fpm
$ stack build

fpmのビルドが完了すると，実行ファイルは異様に長いパスに置かれます．それを使いやすい場所にコピーするために，次のコマンドを実行します．

$ stack install

実行すると，以下のようなメッセージが出力され，ビルドされたfpmの実行ファイルが，~/.local/binにコピーされた事が判ります．

Copied executables to /home/hoge/.local/bin:
- fpm

このフォルダにもパスを通しておきます．

$ export PATH=$PATH:~/.local/bin

これでインストールは完了です．

fpmによるビルドと実行

fpmのパッケージングレイアウト

fpmでは，用途に応じて3通りのパッケージングの方法を提供しています．

  • アプリケーション（実行ファイルのみを生成）
  • ライブラリ（静的ライブラリのみを生成）
  • アプリケーションとライブラリ

これらは，ディレクトリ構造が異なるだけです．
また，パッケージ情報をfpm.tomlファイルに記述します．
fpm.tomlファイルには，プログラムの名前やバージョン，ライセンス情報などを記述できます．プログラム名（コンパイルした際の実行ファイルの名前）は必須ですが，それ以外は必須ではありません．

fpm.toml
name = "hello"

詳しくは，公式のPreparing your package for FPMを読んでください．

アプリケーション

アプリケーションは，下記のようなディレクトリ構造で管理されます．

project dir
├── app
│   └── main.f90
└── fpm.toml

必要なのは，main.f90とfpm.tomlのみです．プロジェクトのディレクトリ直下にappディレクトリとfpm.tomlを置き，ソースファイルをappディレクトリ直下に置きます．このとき，ソースファイル名は，必ずmain.f90です．

公式のサンプルと同様にhello worldを作ってみると，下記のようになります．

hello
├── app
│   └── main.f90
└── fpm.toml
fpm.toml
name = "hello"
main.f90
program main
    implicit none

    print *, "hello, world"
end program main

プログラムのビルドは，プロジェクトのディレクトリで次のコマンドを実行します．

$ fpm build
# gfortran (for build/gfortran_debug/app/main.o)
# gfortran (for build/gfortran_debug/app/hello)

プロジェクトをビルドすると，プロジェクトディレクトリ直下にbuild\gfortran_debug\appディレクトリが作られ，その中に実行ファイルが作成されます．実行ファイルの名前は，fpm.tomlのnameで指定した名前です．

ビルドしたプログラムは，fpm runで実行できます．

$ fpm run
 hello, world

ライブラリ

ライブラリの場合はディレクトリ構造が若干変わります．

project dir
├── fpm.toml
└── src
    └── module source files

このとき，fpm.tomlに書いた名前は，静的ライブラリ(*.aファイル)の名前（頭にlibが追加されます）として使われます．

const
├── fpm.toml
└── src
    └── math_constants.f90
fpm.toml
name = "const"
math_constants.f90
module math_constants
    use, intrinsic :: iso_fortran_env
    implicit none

    real(real64),parameter :: PI = acos(-1d0)

end module math_constants

ビルドはアプリケーションの場合と同様に，プロジェクトのディレクトリでfpm buildを実行します．

$ fpm build
# gfortran (for build/gfortran_debug/const/math_constants.o build/gfortran_debug/const/math_constants.mod)
# ar (for build/gfortran_debug/const/libconst.a)
ar: build/gfortran_debug/const/libconst.a を作成しています

プロジェクトディレクトリ直下にbuild\gfortran_debug\const（fpm.tomlのnameで指定した名前の）ディレクトリが作られ，lib+nameで指定した名前.aの静的ライブラリが作成されました．

アプリケーションとライブラリ

別ファイルでモジュールを作成し，メインルーチンからそれらを読み込む場合には，このディレクトリ構造を用います．これは非常に単純で，アプリケーションとライブラリのディレクトリ構造を合わせた構造です．

project dir
├── app
│   └── main.f90
├── fpm.toml
└── src
    └── module source files

このとき，fpm.tomlのnameで指定するのは実行ファイルの名前ですが，静的ライブラリの名前にも使われます．

公式に類似した，以下のようなサンプルを作ってみました．

app_and_lib
├── app
│   └── main.f90
├── fpm.toml
└── src
    └── math_constants.f90
fpm.toml
name = "app_and_lib"
main.f90
program main
    use :: math_constants, only: PI, PI05, PI2
    implicit none

    print *, "application and static library demo"
    print *, "π = ", PI
    print *, "π/2 = ", PI05
    print *, "2π = ", PI2
end program main
math_constants.f90
module math_constants
    use, intrinsic :: iso_fortran_env
    implicit none

    real(real64),parameter :: PI = acos(-1d0)
    real(real64),parameter :: PI2  = PI * 2.0_real64
    real(real64),parameter :: PI05 = PI * 0.5_real64

end module math_constants

ビルドと実行は，アプリケーションのときと何も変わりません．

$ fpm build
# gfortran (for build/gfortran_debug/app_and_lib/math_constants.o build/gfortran_debug/app_and_lib/math_constants.mod)
# ar (for build/gfortran_debug/app_and_lib/libapp_and_lib.a)
ar: build/gfortran_debug/app_and_lib/libapp_and_lib.a を作成しています
# gfortran (for build/gfortran_debug/app/app_and_lib)

$ fpm run
 application and static library demo
 π =    3.1415926535897931
 π/2 =    1.5707963267948966
 2π =    6.2831853071795862

階層化されたモジュール

複数のモジュールが関係し，モジュールに階層構造がある場合は，モジュール名に独自のルールが設けられます．

multi_level_module
├── app
│   └── main.f90
├── fpm.toml
└── src
    ├── math_constants
    │   ├── derived.f90
    │   └── fundamental.f90
    └── math_constants.f90
fpm.toml
name = "multi_level_module"
math_constants.f90
module math_constants
    use :: math_constants_fundamental, only: PI
    use :: math_constants_derived, only: PI05, PI2
end module math_constants
fundamental.f90
module math_constants_fundamental
    use, intrinsic :: iso_fortran_env
    implicit none

    real(real64),parameter :: PI = acos(-1d0)

end module math_constants_fundamental
derived.f90
module math_constants_derived
    use, intrinsic :: iso_fortran_env
    use :: math_constants_fundamental, only: PI
    implicit none

    real(real64),parameter :: PI2  = PI * 2.0_real64
    real(real64),parameter :: PI05 = PI * 0.5_real64

end module math_constants_derived

main.f90は前の例と同じです．

モジュールの名前付けにはルールがあり，math_constants.f90ではモジュール名をmath_constantsとします．
src/math_constants/derived.f90とfundamental.f90は，それぞれモジュール名をmath_constants_derivedとmath_constants_fundamentalにしなければなりません．

srcディレクトリのサブディレクトリに置かれたモジュールの名前は，src以下のサブディレクトリ名をアンダースコア_で順次つないでいき，最後にファイル名で終わります．
モジュールをsrc/a/b/c/d.f90で定義するとき，モジュール名はa_b_c_dになるということです．

公式のサンプルとほとんど同じなのですが，これをビルドしてみるとエラーが出ます．

$ fpm build
# gfortran (for build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants_derived.o build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants_derived.mod)
# gfortran (for build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants.o build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants.mod)
# gfortran (for build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants_fundamental.o build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants_fundamental.mod)
src/math_constants.f90:3:10:

     use :: math_constants_fundamental, only: PI
          1
Fatal Error: Can't open module file ‘math_constants_fundamental.mod’ for reading at (1): そのようなファイルやディレクトリはありません
compilation terminated.

恐らく，依存性解析に失敗し，必要なモジュールのmodファイルが作られる前に，別のモジュールのコンパイルを行おうとして，失敗したと考えられます．もう一度実行すると，ビルドに成功します．1回目のビルドでいくつかのmodファイルが作られるので，2回目は既に作られたmodファイルを参照してコンパイルできるからです．

$ fpm build
# gfortran (for build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants_fundamental.o build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants_fundamental.mod)
# gfortran (for build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants_derived.o build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants_derived.mod)
# gfortran (for build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants.o build/gfortran_debug/multi_level_module/math_constants.mod)
# ar (for build/gfortran_debug/multi_level_module/libmulti_level_module.a)
ar: build/gfortran_debug/multi_level_module/libmulti_level_module.a を作成しています
# gfortran (for build/gfortran_debug/app/main.o)
# gfortran (for build/gfortran_debug/app/multi_level_module)

$ fpm run
 multi-level module demo
 π =    3.1415926535897931
 π/2 =    1.5707963267948966
 2π =    6.2831853071795862

モジュールの参照エラーであれば，何回かfpm buildを実行すればそのうち成功するでしょう．

まとめ

fpmはまだまだ開発途上ですが，簡単なプログラムのビルドおよび実行に使えることは判りました．

ビルドの補助ツールとしてはcmakeもありますが，CMakeLists.txtはfpm.tomlほど気軽には書けませんし，Makefileを作ったあとにmakeも必要になります．簡単な設定とコマンドで実行できるfpmは，Builder兼Runnerとしては非常に手軽で魅力的です．

今後の進展が楽しみです．fpmの進展を待つだけでなく，プロジェクトの構造についても，この機会に見直したいと思います．

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