Ruby/Rust 連携 (3) FFI で数値計算

連記事目次

• Ruby/Rust 連携 (1)　目的
• Ruby/Rust 連携 (2)　手段
• Ruby/Rust 連携 (3)　FFI で数値計算
• Ruby/Rust 連携 (4)　Rutie で数値計算①
• Ruby/Rust 連携 (5)　Rutie で数値計算②　ベジエ
• Ruby/Rust 連携 (6)　形態素の抽出
• Ruby/Rust 連携 (7)　インストール時ビルドの Rust 拡張 gem を作る

はじめに

FFI（Foreign Function Interface）を使って，簡単な数値計算を行う Rust の関数を Ruby から呼ぶ，ということをやってみよう。
既にこのようなテーマの記事は複数存在するので N 番煎じなのだが。

なお，

• macOS 10.13.6（High Sierra）
• Rust 1.46.0
• Ruby 2.7.1

を使用した。

題材

どうせならフィボナッチ数より実用性のあるものが作りたい。
よし，アレにしよう。
Math.#hypot の 3 変数版だ。3 次元版と言ってもいい。

Math.hypot という奇妙な名前のモジュール関数は，要するに

\sqrt{ x^2 + y^2 }

を計算してくれるもの。
直角三角形の直交する二辺の長さ $x$, $y$ から斜辺（hypotenuse）の長さを計算するのでこの名がある。

p Math.hypot(3, 4) # => 5.0

これの 3 変数版は，要するに

\sqrt{ x^2 + y^2 + z^2 }

を計算する関数というわけだ。

動機

どうして Math.hypot の 3 変数版が欲しいか，という話をする。記事の主題と関係ないので，次節に飛んでもらって構わない。

この関数は，平面上の 2 座標が与えられたとき，その 2 点間の距離を得るのに使える。
つまり，

p1 = [1, 3]
p2 = [2, -4]

distance = Math.hypot(p1[0] - p2[0], p1[1] - p2[1])

というように。
まあ，Vector を使えば

require "matrix"

p1 = Vector[1, 3]
p2 = Vector[2, -4]

distance = (p1 - p2).norm

でいけるんだけどもね。

話が逸れた。

では 3 次元空間中の 2 点間の距離は，となると，当然 hypot の 3 次元版が欲しくなるわけだ。
いやもちろん，Vector を使えば上記のように何次元だろうが簡単に書けるわけだが，速度その他の理由で Vector を使いたくない場合もあるだろう，と。

3 変数版は

def Math.hypot3(x, y, z)
  Math.sqrt(x * x + y * y + z * z)
end

と，簡単に定義できる。
ちなみに x ** 2 とせずに x * x とした理由は，前者がたいへん遅いからである¹。

しかし，上記のメソッドは，乗算 3 回，加算 2 回，sqrt 1 回あり，これらは全部メソッド呼び出しだから，計 6 回もメソッドを呼んでいる。
こういう式は，もしかすると Rust や C で書き直すと速くなるのかもしれない。

実装：Rust 側

Rust をよく知らない人でも再現できるように書くね。
ただし，Rust のインストールは済んでいるとする。

プロジェクト作成

まずターミナルで

cargo new my_ffi_math --lib

とやって，Rust のプロジェクトを一つ作る。
my_ffi_math はプロジェクト名。
オプションの --lib は，「ライブラリークレートを作る」という指定。
クレートというのはコンパイルの単位なのだが，

• バイナリークレート：実行ファイルを作る
• ライブラリークレート：ライブラリーを作る

という二種類がある。

Cargo.toml の編集

プロジェクトのルートに Cargo.toml というファイルがある。ここに，プロジェクト全体に関わるいろいろな設定などが書かれる。
このファイルの末尾に

Cargo.toml

[lib]
crate-type = ["cdylib"]

と追記する。
これの意味は筆者にはよく分かってない。

関数の作成

src/lib.rs というファイルがあるはずだ。
ここには，テストコードの雛形が書かれているが²，これは削除してしまって構わない。

そして，

src/lib.rs

#[no_mangle]
pub extern fn hypot3(x: f64, y: f64, z: f64) -> f64 {
    (x * x + y * y + z * z).sqrt()
}

と書く。

fn が関数の定義を表すキーワード。pub と extern はそれに対するオマケで，ええと，ちゃんと説明できないっす。pub は「この関数を外部に公開するぜ」というようなことなんだろうけど。

f64 は 64 bit 浮動小数点数という型を表していて，これが FFI を通して Ruby の Float に対応する。
-> は関数の返り値の型を表している。
関数の中身は，見ればまあなんとなく分かる。
関数定義の前に付いている

#[no_mangle]

が気になるね。
筆者にもよく分かってないけど，これを書いておかないと，せっかく hypot3 という名前で関数を定義したのに，コンパイル後にその名前では参照できなくなる，ということらしい。

Rust 側の実装は以上でオシマイ。

コンパイル

プロジェクトのルートディレクトリーで

cargo build --release

とやると，コンパイルされる。
buildビルド というのはコンパイルをカッコよく言ったもの（？　いや，たぶん違う）
ビルドは，デバッグ用とリリース（本番）用の二通り可能で，--release は文字通りリリース用にビルドしろ，ということ。
デバッグ用だと実行速度が遅い。

コンパイルして出来たものは target/release/libmy_ffi_math.dylib というパスにあるはずだ。
あ，いや，ファイル名の拡張子はイロイロなんだよな。macOS 上でやると .dylib になったけど，Windows とかでは違うはず³。

Ruby 側で必要になるのはこのファイルだけ。

ファイル名のベース名（拡張子を除いた部分）は，今の場合，プロジェクト名の頭に lib を付けたものになっている。
もし，Cargo.toml の [lib] のところに name を追記して

Cargo.toml

[lib]
name = "hoge"
crate-type = ["cdylib"]

のようにすれば，ファイル名は libhoge.dylib のようになるはず。

実装：Ruby 側

Ruby 側では ffi という gem を使う（fiddle を使う方法もある）。

以下のコードでは簡単に

require "ffi"

とやるが，もちろん Gemfile で管理するなら

Gemfile

gem "ffi", "~> 1.13"

とでも書いておいて，スクリプトで

require "bundler"
Bundler.require

などとすればよい。

また，Ruby のコードはとりあえず Rust のプロジェクトのルートディレクトリーにあるとする。

こんなふうに書く。

require "ffi"

module FFIMath
  extend FFI::Library
  ffi_lib "target/release/libmy_ffi_math.dylib"
  attach_function :hypot3, [:double, :double, :double], :double
end

p FFIMath.hypot3(1, 2, 3)
# => 3.7416573867739413

# 参考
p Math.sqrt(1 * 1 + 2 * 2 + 3 * 3)
# => 3.7416573867739413

実行結果もコメントで書いちゃっているが，Ruby で計算したのと結果が一致していることが分かる。

FFIMath としたのは何でもいいから何かテキトーなモジュールを一つ用意しただけ。
このモジュールに対し，FFI::Library を extend する。これにより，ffi_lib などいくつかの特異メソッドが生える。

ffi_lib メソッドは，コンパイルで出来たライブラリーファイルのパスを指定している。
えっと，なんかよく分からないけど，相対パスだとうまくいかないことがあるようで，絶対パスを与えたほうがよさそう。そのためには File.expand_path を使って

  ffi_lib File.expand_path("target/release/libmy_ffi_math.dylib", __dir__)

とする。こう書くと，このファイルの位置（__dir__）からの相対パスを絶対パスにしてくれる。

attach_function は，Rust で作った関数をモジュールの特異メソッドとして生やす。
第一引数が関数名。
第二引数は，関数の引数の型を指定している。3 引数なので，長さ 3 の配列になっている。:double は FFI の倍精度浮動小数点数を表している。Rust では f64 にあたり，Ruby では Float にあたる。
第三引数は関数の返り値の型を指定している。
以上で，モジュールの特異メソッドが定義できた。

使い方は見てのとおり。
察しの良い方は，「ん？　引数には Float を与えなくちゃいけないのに Integer を与えてるぞ？」と疑問に思われるかもしれない。
これについては筆者もよく知らないけれど，きっと ffi gem が浮動小数点数に変換してくれているのだろう。

意外に簡単だった！

ベンチマークテスト

hypot3 を Rust で実装しようとしたのはそのスピードを期待してのことであった。
ならばベンチマークテストで実証せねばなるまい。さて，どの程度速くなるのだろう！

テストライブラリー

hypot3 のような軽い処理を計測する場合，ベンチマークテストのライブラリーは benchmark_driver 一択になると思う。

軽い処理を計測するには，同じ処理を何回も実行した時間を計測する必要があるが，times メソッドなんかでループを回すと，ループのコストが相対的に無視できないため正確に測れない。benchmark_driver はそういうコストをかけずに多数回実行させるので，わりと実際の実行速度が測れる，ということらしい（どういう仕組みか知らないけど）。

テストコード

benchmark_driver の使い方は，

• ベンチマークテストプログラムを Ruby で書いて実行する
• ベンチマークの内容を YAML ファイルに書いて benchmark_driver コマンドに与える

の二通りあるが，今回は後者でやってみる。
後者は YAML フォーマットを覚える必要があるが，そう難しくはない。

以下のように書く。

benchmark.yaml

prelude: |
  require "ffi"

  def Math.hypot3(x, y, z)
    Math.sqrt(x * x + y * y + z * z)
  end

  module FFIMath
    extend FFI::Library
    ffi_lib "target/release/libmy_ffi_math.dylib"
    attach_function :hypot3, [:double, :double, :double], :double
  end

  x, y, z = 3, 2, 7

benchmark:
  - Math.hypot3(x, y, z)
  - FFIMath.hypot3(x, y, z)

prelude の中身は，計測に先立って何かしておくべきことを書く。
比較用に Math.hypot3 を定義しておいた。

テスト実行

ここまでできたら，ターミナルで

benchmark-driver benchmark.yaml

とする。（gem 名がアンダースコアなのにコマンド名がハイフンなのがややこしい）
あ，benchmark_driver gem のインストール

gem i benchmark_driver

をあらかじめやっておこうね。

結果は・・・

Comparison:
   Math.hypot3(x, y, z):  10211285.3 i/s
FFIMath.hypot3(x, y, z):   5153872.8 i/s - 1.98x  slower

えっ？

Math.hypot3 が毎秒 1000 万回実行できているのに対し，FFIMath.hypot3 は毎秒 500 万回。
ざ，惨敗ではないか・・。
速くなるどころか，話にならないくらい遅い⁴。

敗因は何だろう。Rust のコードはこれ以上改善しようがないように思える。コンパイルはちゃんとリリースビルドを指定した。
Rust の各種ベンチマークを見ると C と遜色ないようなので，Rust が遅い，というわけでもなさそうだ。

となると，やはり FFI のコストではないだろうか。
Ruby は引数に何でも渡せてしまうので，実行時に ffi gem が型のチェックや変換をしてくれているのではないかと思う。そういう余計な（？）処理が重荷になっているのかもしれない。

hypot3 程度の処理は，Rust で実装する意味が無いらしいと分かった。
もっと重い処理をやらせなくちゃいけないのだ。

気を取り直して「もっと重い処理」を何か考えることにしよう。

1. 最近，2 乗の最適化が入ったので，たぶん Ruby 3.0 あたりで x ** 2 はそれほど遅くないことになりそう。 ↩

2. Rust ではコード中にテストコードが書けるようになっており，テストの実行も cargo test とやるだけ，と非常に簡単になっている。 ↩

3. 正確に言えば，生成物の拡張子は，どの OS 上でコンパイルしたかに依る，のではなく，どのターゲット用にコンパイルしたかに依る，ということなんじゃないかと思う。つまり，Windows 上で macOS 用（x86_64-apple-darwin）にコンパイルすれば .dylib になるんじゃないかな。Rust は簡単にクロスコンパイルができるものね。 ↩

4. ちなみに，このコードでは x, y, z に Integer オブジェクトを与えているが，Float オブジェクトを与えた場合，Math.hypot3 は 1 割以上速度が落ち，FFIMath.hypot3 のほうは変わらず，であった。 ↩