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VSCode+Jupyter拡張機能でJulia1.5の開発環境を構築する

Last updated at 2021-01-31Posted at 2021-01-31

1. はじめに

科学技術計算指向のプログラム言語として、Julia(ジュリア)が注目を集めている。
本ページでは、Visual Studio Code(以下VSCode)でJuliaの開発環境を構築する。
また、VSCodeにJupyter拡張機能を導入することで、VS CodeからJupyter Notebookを利用する。
対象OSは Windows 10 Home 64bit とする。
本ドキュメントの記載内容まとめ
- VSCodeからREPLモード(対話型)のJuliaを実行する。
- VSCodeでJuliaファイル(.jl)の編集、および実行する。
- VSCodeでJulia用のJupyter Notebookを実行する。

2. インストール

以下のパッケージをダウンロードおよびインストールする(執筆時点の最新版)。
Python以外の言語でJupyterをVSCodeで実行したい場合、Stable版ではなく、Insiders版を利用する必要がある点に注意。

項目	バージョン	URL
Julia	1.5.3 installer (windows-64bit)	https://julialang.org/downloads
Visual Studio Code Insiders	1.53.0-insider (x64)	https://code.visualstudio.com/insiders/
Julia (VSCode Extension)	v1.0.10	https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=julialang.language-julia
Jupyter (VSCode Extension)	2020.12.414227025	https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=ms-toolsai.jupyter

2.1. 環境変数の設定

ユーザ環境変数 Path に Julia の実行ファイルのパスを追加する。
- [コントロールパネル] > [システム] > [システムの詳細設定] > [環境変数] > [ユーザ環境変数] > [Path]

2.2. インストール確認

Visual Studioを起動し、Terminalウインドウを開く(CTRL+@)
Terminalウィンドウで julia --version を入力し、インストールされたJuliaのバージョンを確認する。

3. 動作確認(REPL)

JuliaにはREPL(read-eval-print loop)と呼ばれる対話的実行環境が存在している。
- 構文の評価、過去の入力履歴の検索、タブ補完、キーバインド、専用のヘルプモードとシェルモードなどを備えている。
本章ではVSCodeでREPLを利用する方法を解説する。
以降の作業は、VSCodeのTerminalウィンドウ(CTRL+@)にて実行する前提とする。
- Ctrl+Lを押すと、Terminalウィンドウの表示がクリアされる。

3.1. REPLの開始／終了

Terminalウィンドウ(デフォルトはPowerShell)で、juliaを引数なしで実行すると、REPLが開始される。
REPL実行中はプロンプトにjulia>が表示される。
CTRL+dまたは、exit()を実行することで、REPLが終了される。

3.2. REPLプロンプトモード

REPLには以下の動作モードが存在している。
- ジュリアモード(The Julian mode)
- シェルモード(Shell mode)
- ヘルプモード(Help mode)
- 検索モード(Search modes)
- パッケージモード(Pkg mode)
デフォルトの動作モードはジュリアモードとなる。

3.2.1. ジュリアモード

julia>プロンプトに「式」を入力すると、以下の処理が行われる。
- 入力式が評価され、式の結果が変数ansに代入される。
- プロンプトの応答に式の結果が表示される。
- 入力する「式」の行末にセミコロン;を指定すると、結果が表示されなくなる。
実行した関数はキャッシュされる為、同一の関数を複数回実行すると2回目以降の計算速度が早くなる。

変数の代入

julia> a = 1 + 2
3
julia> a
3

結果表示の抑制／変数ansへの代入

julia> string(3 + 4);
julia> ans
"7"

3.2.2. ヘルプモード

julia>プロンプトにクエスチョン?を入力すると、ヘルプモードとなる。
ヘルプモード実行中はプロンプトにhelp?>が表示される。
help?>プロンプトに「型」や「関数」「マクロ」などを入力すると、該当するヘルプが表示される。

型のヘルプ例(UInt64)

help?> UInt64
search: UInt64 UInt16
  UInt64 <: Unsigned
  64-bit unsigned integer type.

関数のヘルプ例(SubString)

help?> SubString
search: SubString SubstitutionString
  SubString(s::AbstractString, i::Integer, j::Integer=lastindex(s))
  SubString(s::AbstractString, r::UnitRange{<:Integer})

  Like getindex, but returns a view into the parent string s within range i:j or r respectively instead of making a copy.

  Examples
  ≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡
  julia> SubString("abc", 1, 2)
  "ab"  
  julia> SubString("abc", 1:2)
  "ab"  
  julia> SubString("abc", 2)
  "bc"

マクロのヘルプ例(@elapsed)

help?> @elapsed
  @elapsed

  A macro to evaluate an expression, discarding the resulting value, instead returning the number of seconds it took to   
  execute as a floating-point number.
  See also @time, @timev, @timed, and @allocated.

  julia> @elapsed sleep(0.3)
  0.301391426

3.2.3. シェルモード

julia>プロンプトにセミコロン;を入力すると、シェルモードとなる。
シェルモード実行中はプロンプトにshell>が表示される。
shell>プロンプトにてpowershellまたはcmdでシェルコマンドを実行できる。
Windowsの場合、シェルを指定せずに直接コマンドは実行できない点に注意。
- powershell [command]を入力すると、PowerShellのコマンドを実行できる。
  - [command]を入力しない場合、PowerShellが実行される(PS C:\>プロンプト)
    - exitでPowerShellを終了できる。
- cmdを実行するとコマンドプロンプトのシェルが実行される(C:\>プロンプト)
  - exitでコマンドプロンプトを終了できる。

PowerShellの実行(直接コマンド実行)

shell> powershell date
2021年1月24日 22:00:07

julia>

PowerShellの実行(シェルの実行)

shell> powershell
Windows PowerShell
Copyright (C) Microsoft Corporation. All rights reserved.

PS C:\> date
2021年1月24日 22:05:05

PS C:\> exit

julia>

cmdの実行(シェルの実行)

shell> cmd
Microsoft Windows [Version 10.0.18363.1316]
(c) 2019 Microsoft Corporation. All rights reserved.

C:\>date /T 
2021/01/24 

C:\>exit    

julia>

3.2.4. 履歴モード

REPLにて実行されたすべてのコマンドは履歴ファイルに保存され、履歴モードでインクリメンタルサーチできる。
プロンプトにおいてCTRL+S(順方向)またはCTRL+R(逆方向)を入力すると、履歴モードとなる。
履歴モード実行中はプロンプトに(forward-i-search):または(reverse-i-search):が表示される。
- (forward-i-search)：履歴を順方向で検索する。CTRL+Sで次の履歴(順方向)に遷移する。
- (reverse-i-search)：履歴を逆方向で検索する。CTRL+Rで次の履歴(逆方向)に遷移する。

履歴モード(順方向及び逆方向)

(forward-i-search)`p': powershell

(reverse-i-search)`p': powershell

3.2.5. パッケージモード

julia>プロンプトに]を入力すると、パッケージモードに遷移する。
パッケージモード実行中はプロンプトにPkg>が表示される。
コマンドにおいて、以下を実行できる。
- add: パッケージの追加
- remove: パッケージの削除
- update: パッケージの更新
- status: インストールしたパッケージの一覧を表示

パッケージの追加／削除

(@v1.5) Pkg> add <パッケージ名> #パッケージの追加
(@v1.5) Pkg> remove <パッケージ名> #パッケージの削除

パッケージの更新

(@v1.5) pkg> update Plots  # 指定したパッケージのみ更新
 Installing known registries into `C:\Users\nomunomu\.julia`
      Added registry `General` to `C:\Users\nomunomu\.julia\registries\General`
   Updating registry at `C:\Users\nomunomu\.julia\registries\General`
No Changes to `C:\Users\nomunomu\.julia\environments\v1.5\Project.toml`
No Changes to `C:\Users\nomunomu\.julia\environments\v1.5\Manifest.toml`

(@v1.5) Pkg> update # Generalの全パッケージを更新
   Updating registry at `C:\Users\nomunomu\.julia\registries\General`
No Changes to `C:\Users\nomunomu\.julia\environments\v1.5\Project.toml`
No Changes to `C:\Users\nomunomu\.julia\environments\v1.5\Manifest.toml`

パッケージ一覧の確認

(@v1.5) pkg> status
Status `C:\Users\nomunomu\.julia\environments\v1.5\Project.toml`
  [91a5bcdd] Plots v1.10.2

3.2.6. Tab補完

ジュリアモードなどで、最初の数文字を入力してから、[Tab]キーを押すことで一致するすべてのリストを取得できる。

Tab補完の例

julia> stri[TAB] # stri から始まる関数が表示されている
stride     strides     string      strip

julia> Stri[TAB] # Stri から始まる型／構造体が表示されている
StridedArray    StridedMatrix    StridedVecOrMat  StridedVector    String

LaTeX数学記号を同等のUnicodeで置き換えたり、LaTeX一致のリストを取得することもできる。

LaTex数学記号

julia> \pi[TAB]
julia> π
π = 3.1415926535897... # πの定義値が表示される

julia> e\_1[TAB] = [1,0]
julia> e₁ = [1,0] # 変数名が e₁
2-element Array{Int64,1}:
 1
 0

julia> e\^1[TAB] = [1 0]
julia> e¹ = [1 0] # 変数名が e¹ 
1×2 Array{Int64,2}:
 1  0

julia> \sqrt[TAB]2     # √はsqrt関数(平方根)と同等
julia> √2
1.4142135623730951

フィールドや関数の戻り値の補完もタブ補完が可能となる。

フィールドおよび関数の戻り値のタブ補完

julia> import UUIDs

julia> UUIDs.uuid[TAB] # UUIDs構造体内における uuid から始まるフィールド一覧が表示される
uuid1        uuid4         uuid_version

julia> split("","")[1].[TAB] # split型の戻り値である SubString{String} のフィールド一覧が表示される
lastindex  offset  string

4. 動作確認(ファイル実行形式)

本章ではファイル実行形式でサンプルプログラムを動作させる。
以降の作業は、VSCodeのエディタウィンドウでソースを編集・保存・実行する前提とする。

4.1. サンプルプログラム

以下のようなファイルを作成し、任意の名前(Juliaソースファイルの拡張子は.jl)で保存する。

sample.jl

using Plots

x = 0: 0.01:2pi
f(x) = x ^ 2
plot(x , f)

4.1.1. プログラムの実行

エディタにおいて SHIFT + ENTERを押下することで、Juliaプログラムを実行できる。
Plotsパッケージが見つからない場合、エラーとなる。

ERROR: LoadError: ArgumentError: Package Plots not found in current path:
Run `import Pkg; Pkg.add("Plots")` to install the Plots package.

4.2. パッケージのインストール

Plotsパッケージをインストールする。
- REPL ジュリアモードにおいて、Pkg.addを行うことで、対象パッケージをインストールできる。

julia> import Pkg
julia> Pkg.add("Plots")
 Installing known registries into `C:\Users\nomunomu\.julia`
 C:\Users\nomunomu\.julia`
      Added registry `General` to `C:\Users\nomunomu\.julia\registries\General`

4.2.1. プログラムの実行

エディタにおいて SHIFT + ENTERを押下することで、Juliaプログラムを実行できる。
Plotsパッケージがインストールされた状態で実行すると、以下のように実行される。

5. 動作確認(Jupyter)

本章ではVS Codeにおいて Jupyter Notebookを動作させる。
以降の作業は、VSCodedeで作業を行う前提とする。

5.1. インストール

JupyterをVSCodeで実行するためには、Jupyterのカーネルがインストールされている必要がある。
以下のパッケージをREPLのパッケージモードでインストールする(執筆時点の最新版)。
- CTRL+@でターミナルを開き、コマンドラインからjuliaを実行することでREPLを実行できる。

項目	バージョン	URL
IJulia	1.23.1	https://github.com/JuliaLang/IJulia.jl

IJuliaのパッケージのインストール

julia> import Pkg; Pkg.add("IJulia")
 Installing known registries into `C:\Users\nomunomu\.julia`
      Added registry `General` to `C:\Users\nomunomu\.julia\registries\General`

notebook()を実行すると、デフォルトブラウザ上でJupyter Notebookが起動する。
- VSCodeのターミナルからCTRL+CでJupyter Notebookを終了すること。

notebook()を実行する。

julia> using IJulia
[ Info: Precompiling IJulia [7073ff75-c697-5162-941a-fcdaad2a7d2a]

julia> notebook()
install Jupyter via Conda, y/n? [y]: y
(以下略)

5.2. エディタの設定

コマンドパレット(CTRL + SHIFT + P)を実行し、Preferences: Open Settings (JSON)を選択する。
settings.jsonにおいて、以下を入力する。
- jupyter.insidersChannelは、Jupyter拡張機能のUpdate確認用なので、必要に応じて設定すること。

settings.json

{
    "jupyter.experiments.optOutFrom": ["NativeNotebookEditor"],
    "jupyter.insidersChannel": "daily",
}

5.3. Jupyter Notebookの設定

コマンドパレット(CTRL + SHIFT + P)を実行し、Jupyter: Select a Kernelを選択後、Juliaを選択する。

5.4. Jupyter Notebookの実行

コマンドパレット(CTRL + SHIFT + P)を実行し、Jupyter: Create New Blank Jupyter Notebookを選択する。
- または任意の.ipynbファイルを作成する。

6. まとめ

VSCodeをフロントエンドとしてJuliaの実行環境を構築できることを確認した。
- REPLモードの実行
- Juliaファイルの編集、および実行
- Jupyter Notebookを実行できた。
Python以外の言語でも、VSCode内でJupyter Notebookが利用できるのは良いことです('ω')

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