abclinuxu.cz AbcLinuxu.cz itbiz.cz ITBiz.cz HDmag.cz HDmag.cz abcprace.cz AbcPráce.cz
AbcLinuxu hledá autory!
Inzerujte na AbcPráce.cz od 950 Kč
Rozšířené hledání
×
včera 23:33 | IT novinky

Na Startovači běží kampaň Bulánci se vrací aneb kampaň na podporu vývoje nové verze 2.0 dnes již dvacetileté počítačové hry Bulánci (Wikipedie, YouTube). Požadováno je 500 000 Kč. Aktuálně je vybráno 1 205 835 Kč.

Ladislav Hagara | Komentářů: 1
včera 22:22 | IT novinky

Humble Bundle nabízí balík knih o programování v Pythonu od vydavatelství No Starch Press v digitální podobě bez DRM, a to za zvýhodněnou cenu aspoň 1-15 eur. Akce Humble Book Bundle: Learn You More Python by No Starch Press trvá do 7. června. Znovu je možné rozdělit cenu mezi vydavatele, provozovatele a charitu dle vlastního výběru poté, co se zvedla vlna nevole, když provozovatel tuto možnost omezil.

… více »
Fluttershy, yay! | Komentářů: 0
včera 16:33 | Nová verze

Byla vydána verze 9.2 open source unixového operačního systému NetBSD (Wikipedie). Přehled novinek v poznámkách k vydání.

Ladislav Hagara | Komentářů: 0
včera 16:11 | Zajímavý článek

V dubnu loňského roku přešla společnost Cloudflare z reCAPTCHA na hCAPTCHA. Dalším krokem by mělo být úplné zrušení CAPTCHA. Dle aktuálního příspěvku Lidstvo promrhá na CAPTCHA zhruba 500 let denně. Je čas toto šílenství ukončit na blogu Cloudflare by řešením mělo být použití kryptografických tokenů (YubiKey) nebo například rozšíření webových prohlížečů Privacy Pass a systému "Cryptographic Attestation of Personhood" vycházejícího z Web Authentication (WebAuthn) Attestation. Vyzkoušet lze na stránce Cloudflare Challenge.

Ladislav Hagara | Komentářů: 14
včera 13:33 | Zajímavý software

Byl představen projekt Lima aneb Linux-on-Mac ("macOS subsystem for Linux", "containerd for Mac"). Cílem projektu je přinést možnosti WSL (Windows Subsystem for Linux) na macOS [Hacker News].

Ladislav Hagara | Komentářů: 10
15.5. 17:44 | Nová verze

Společnost PINE64 stojící za telefonem PinePhone, notebooky Pinebook a Pinebook Pro, IP kamerou PineCube, hodinkami PineTime, páječkou (pájecím perem) Pinecil, zdroji PinePower nebo RISC-V vývojovou deskou PineCone publikovala na svém blogu květnový souhrn novinek (YouTube). Zmínit lze například prototyp klávesnice k PinePhonu, vybraný název PineDio pro PINE64 LoRA ekosystém nebo Fedora Linux na Pinebooku Pro.

Ladislav Hagara | Komentářů: 18
15.5. 16:33 | Zajímavý software

V prosinci loňského roku byl představen Rizin, fork frameworku pro reverzní inženýrství a analýzu binárních souborů radare2 (r2). Vývojáři Rizinu si vzali s sebou Cutter, do té doby grafickou nadstavbu nad radare2 (r2). Vývojáři radare2 (r2) tedy přejmenovali svou nadstavbu na r2cutter. Dnes je to už ale iaito. Vývojáři se vrátili ke jménu projektu (iaito), ze kterého vznikl Cutter.

Ladislav Hagara | Komentářů: 0
15.5. 09:00 | Nová verze

Byla vydána nová verze 12.0.0 open source webového aplikačního frameworku Angular (Wikipedie). Přehled novinek v příspěvku na blogu.

Ladislav Hagara | Komentářů: 8
14.5. 14:00 | Nová verze

Po osmi letech vývoje byla vydána verze 3 programovacího jazyka Scala (Wikipedie). Přehled novinek v aktualizované dokumentaci.

Ladislav Hagara | Komentářů: 0
14.5. 11:00 | Komunita

O víkendu 15. a 16. května probíhá AlpineConf 2021, tj. online konference vývojářů a uživatelů Alpine Linuxu.

Ladislav Hagara | Komentářů: 0
Transakční aktualizace
 (19%)
 (4%)
 (5%)
 (4%)
 (9%)
 (59%)
Celkem 187 hlasů
 Komentářů: 0
Rozcestník

Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích

25.4. 21:15 | Přečteno: 1577× | programování | Výběrový blog | poslední úprava: 25.4. 21:15

Kdysi dávno jsem na root.cz četl článek o programovacím jazyku Ada, kde autor mimo jiné ukazoval, jak lze silný typový systém jazyka použít k tomu, aby za nás překladač hlídal fyzikální rozměr hodnot v programu podobně, jako jsme na to zvyklí u běžných datových typů. Nedávno jsem si na to znovu vzpomněl, chvíli si s tím hrál a v tomto zápisku dal dohromady triviální demonstraci současných možností podpory jednotek v jazycích Ada, F# a Python.

Ada

Demonstrace z toho článku o jazyku Ada vypadala nějak takto:

type Metry is new Float;
type Ctverecni_Metry is new Float;

-- Přetížení operátoru násobení pro datový typ metry tak, aby vracel metry
-- čtvereční.
function "*" (Left, Right : Metry) return Ctverecni_Metry is
begin
  return Ctverecni_Metry(Float(Left)*Float(Right));
  -- před násobením jsme přetypovali na float, abychom zabránili rekurzi
  -- takto donutíme překladač použít standardní násobení pro typ Float
end;

declare
  vyska : Metry := 10.0;
  sirka : Metry := 15.0;
  plocha_a : Ctverecni_Metry;
  plocha_b : Metry;
begin
  plocha_a := vyska*sirka; -- tohle je ok
  plocha_b := vyska*sirka; -- zde nastane chyba prekladu
end;

Pamatuji si, že to na mě tenkrát udělalo dojem. Ale tehdy jsem moc programovacích jazyků neznal a ani jsem to dál nezkoumal. Na druhou stranu jsem si z toho taky mylně na chvíli odnesl dojem, že podobné věci jsou záležitostí silně typovaných a málo používaných jazyků jako Ada. Což ale není úplně přesné, jak si ještě ukážeme.

Když jsem se k tomu teď ze zvědavosti vrátil a chtěl si to vyzkoušet (v repozitáři Fedory nebo Debianu lze najít balíček s GNU Ada překladačem GNAT), ukázalo se, že je třeba ten kód trochu vylepšit, aby to ve skutečnosti opravdu fungovalo. Což v tomto případě znamená, aby to šlo přeložit s chybou, která demonstruje, jak to hlídání jednotek pěkně funguje (-:

procedure Example1 is
  type Meters is new Float;
  type Meters_Squared is new Float;
  function "*" (Left, Right : Meters) return Meters_Squared is
  begin
    return Meters_Squared(Float(Left)*Float(Right));
  end;
  function "*" (Left, Right : Meters) return Meters is abstract;
  len_a : Meters := 10.0;
  len_b : Meters := 15.0;
  surface : Meters_Squared;
  len_sum : Meters;
begin
  len_sum := len_a + len_b; -- ok
  surface := len_a * len_b; -- ok
  len_sum := len_a * len_b; -- invalid
end Example1;

Když opominu uhlazení dělající z toho příkladu samostatný Ada program, bylo třeba přidat deklaraci function "*" (Left, Right : Meters) return Meters is abstract, která tuto variantu násobení zděděnou z typu Float potlačí. A překlad pak opravdu chybu v rozměru zachytí, i když ta chybová hláška vypadá trochu zvláštně (zkoušeno s gcc-gnat-10.2.1-9 na Fedoře 33):

$ gnatmake -q example1.adb
example.adb:16:20: expected type "Meters" defined at line 2
example.adb:16:20: found type "Meters" defined at line 2
gnatmake: "example.adb" compilation error

Obecné modelování fyzikálních rozměrů tímto způsobem nemusí být zcela přímočaré ani praktické. I když jednodušší případy, kdy se obejdeme bez rozměrové analýzy, můžou fungovat pěkně, jak je vidět na příkladu práce s metry a mílemi z úvodního kurzu jazyka Ada.

Pro jazyk Ada v přehledu metod rozměrové analýzy se dozvíme, že tohle bylo jasné už někdy v 80. letech, kdy se tento problém začal řešit. Např. N. H. Gehani v článku z roku 1985 popisuje použití typového systému s přetížením operátorů (podobně jako to dělá naše ukázka výše) a dochází k tomu, že to obecně nefunguje:

Derived types only partially solve the problem of detecting the inconsistent usage of objects; some valid usages of objects are also not allowed. Moreover, the solution is inelegant and inconvenient to use.

To vedlo k návrhu různých knihoven zavádějících datové struktury obsahující hodnotu spolu s jednotkou a funkce pro práci s nimi. A něco takového je možné implementovat v libovolném jazyce, i když konkrétní přístup a garance, co knihovna programátorovi dává, se můžou v závislosti na možnostech jazyka dost lišit.

Překladač GNAT dnes implementuje systém pro kontrolu rozměrů veličin, který staví na tzv. Aspects ze standadru Ada 2012, a je doplněn knihovnou System.Dim.Mks s definicí základních fyzikálních jednotek dle SI.

S použitím tohoto rozšíření by náš příklad vypadal takto:

with System.Dim.Mks; use System.Dim.Mks;
procedure Example2 is
  len_a : Length := 10.0*m;
  len_b : Length := 15.0*m;
  surface : Area;
  len_sum : Length;
begin
  len_sum := len_a + len_b; -- ok
  surface := len_a * len_b; -- ok
  len_sum := len_a * len_b; -- invalid
end Example2;

A jak se můžeme přesvědčit, opravdu to funguje:

$ gnatmake -q -gnat2012 example2.adb
example2.adb:10:11: dimensions mismatch in assignment
example2.adb:10:11: left-hand side has dimension [L]
example2.adb:10:11: right-hand side has dimension [L**2]
gnatmake: "example2.adb" compilation error

Taková podpora jednotek je pak někde mezi implementací přímo v jazyce, a pouhou knihovnou.

F#

Jeden z mála programovacích jazyků s přímou podporou pro práci s jednotkami, o kterém jste možná už někdy slyšeli, je funkcionální jazyk F#. Typový systém tohoto jazyka totiž umožňuje s jednotkami přímo pracovat, takže např. typ float<m> reprezentuje desetinné číslo pro počet metrů, zatímco float je desetinné číslo bez jednotky. Popis jak to funguje najdete na stránce Units of measure.

Předchozí příklad přepsaný do jazyka F# by vypadal nějak takto:

[<Measure>] type m

let len_a = 10.0<m>
let len_b = 15.0<m>
let len_sum : float<m>   = len_a + len_b // ok
let surface : float<m^2> = len_a * len_b // ok
let len_c   : float<m>   = len_a * len_b // invalid

A když se jej pokusíme přeložit, skončíme na očekávané chybě v jednotkách:

$ dotnet run
/home/martin/projects/hello-fsharp/Program.fs(7,36): error FS0001: The unit of measure 'm' does not match the unit of measure 'm ^ 2' [/home/martin/projects/hello-fsharp/hello-fsharp.fsproj]

The build failed. Fix the build errors and run again.

Python

Knihoven pro práci s jednotkami pro jazyk Python existuje hned několik (viz přehled Python modulů pro rozměrovou analýzu). Pro ukázku jsem zvolil knihovnu Pint, čímž ale nechci tvrdit, že jde o nejlepší nebo nejpopulárnější modul tohoto typu (ostatní knihovny jsem nezkoušel).

Náš předchozí příklad musíme při převodu do pythonu trochu upravit. I když python typový systém má, proměnné nelze typ explicitně přiřadit, a navíc knihovna Pint typový systém pro reprezentaci jednotek stejně nepoužívá. Takže místo pokusu o přiřazení metrů čtverečních do proměnné s počtem metrů, zkusíme metry čtvereční s metry prostě sečíst:

import pint

ureg = pint.UnitRegistry()

len_a = 10 * ureg.m
len_b = 15 * ureg.m
len_sum = len_a + len_b # ok
surface = len_a * len_b # ok
len_c = surface + len_b # invalid

A vidíme, že při spuštění programu dostáváme očekávanou chybu:

$ python example.py
Traceback (most recent call last):
  File "/home/martin/tmp/example.py", line 9, in <module>
    len_c = surface + len_b
  File "/usr/lib/python3.9/site-packages/pint/quantity.py", line 1018, in __add__
    return self._add_sub(other, operator.add)
  File "/usr/lib/python3.9/site-packages/pint/quantity.py", line 110, in wrapped
    return f(self, *args, **kwargs)
  File "/usr/lib/python3.9/site-packages/pint/quantity.py", line 930, in _add_sub
    raise DimensionalityError(
pint.errors.DimensionalityError: Cannot convert from 'meter ** 2' ([length] ** 2) to 'meter' ([length])

Další rozdíl oproti předchozím příkladům pochopitelně je, že jde o běhovou chybu. Ale pokud vám záleží na odhalení těchto chyb už v době překladu, asi nebudete používat python.

Ale i v jazyce jako python se imho může hodit, že vám počítač s jednotkami pomáhá:

>>> import pint
>>> ureg = pint.UnitRegistry()
>>> current = (300 * ureg.watt) / (6 * ureg.volt)
>>> current
<Quantity(50.0, 'watt / volt')>
>>> current.dimensionality
<UnitsContainer({'[current]': 1})>
>>> current.to_base_units()
<Quantity(50.0, 'ampere')>
>>> (current * 30 * ureg.minute).to(ureg.ampere*ureg.hour)
<Quantity(25.0, 'ampere * hour')>

A klepne vás přes prsty, pokud po něm chcete nesmysl:

>>> (current * 30 * ureg.minute).to(ureg.watt*ureg.hour)
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "/usr/lib/python3.9/site-packages/pint/quantity.py", line 605, in to
    magnitude = self._convert_magnitude_not_inplace(other, *contexts, **ctx_kwargs)
  File "/usr/lib/python3.9/site-packages/pint/quantity.py", line 554, in _convert_magnitude_not_inplace
    return self._REGISTRY.convert(self._magnitude, self._units, other)
  File "/usr/lib/python3.9/site-packages/pint/registry.py", line 944, in convert
    return self._convert(value, src, dst, inplace)
  File "/usr/lib/python3.9/site-packages/pint/registry.py", line 1804, in _convert
    return super()._convert(value, src, dst, inplace)
  File "/usr/lib/python3.9/site-packages/pint/registry.py", line 1410, in _convert
    return super()._convert(value, src, dst, inplace)
  File "/usr/lib/python3.9/site-packages/pint/registry.py", line 977, in _convert
    raise DimensionalityError(src, dst, src_dim, dst_dim)
pint.errors.DimensionalityError: Cannot convert from 'minute * watt / volt' ([current] * [time]) to 'hour * watt' ([length] ** 2 * [mass] / [time] ** 2)

(-:

Závěr

Pokud vás tohle téma zaujalo, doporučuji se podívat na článek Dimensional Analysis in Programming Languages, kde najdete rozsáhlý přehled implementací rozměrové analýzy v mnoha programovacích jazycích.

A pokud nějakou knihovnu pro práci s jednotkami ve svém kódu používáte, dejte vědět v komentářích.

       

Hodnocení: 100 %

        špatnédobré        

Anketa

Práci s jednotkami v nějakém programovacím jazyku jsem:
 (52 %)
 (10 %)
 (33 %)
 (5 %)
Celkem 21 hlasů

Tiskni Sdílej: Linkuj Jaggni to Vybrali.sme.sk Google Del.icio.us Facebook

Komentáře

Vložit další komentář

26.4. 07:36 _
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
Většinou na počítání, jak jinak ;-) Ale v kterem jayzku je ta kalkulačka napsaná fakt nevím.
26.4. 12:29 OldFrog {Ondra Nemecek} | skóre: 35 | blog: Žabákův notes | Praha
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
Hodně zajímavé... díky.
-- OldFrog
26.4. 13:51 Tomáš
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
Pro mě to je novinka, díky za ni. Momentálně to nepoužiju, ale je dobré vědět, že něco takového existuje.
Gréta avatar 26.4. 21:58 Gréta | skóre: 31 | blog: Grétin blogísek | Stockholm
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích

se muže hodit :D ;D

✊ canceled people hele 🤐 🤐 ✊ podobnej projekt dana vávry hele 🤐 🤐 ✊
27.4. 07:03 kotrcka | skóre: 23 | blog: Onééé 2 | Praha
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
Na čo? Adventný kód tým nevyriešiš a ani na mimibazar sa to nehodí :-D
You son of a bit.. coin
27.4. 19:15 OldFrog {Ondra Nemecek} | skóre: 35 | blog: Žabákův notes | Praha
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
Hodí se to všude kde se počítá. Typicky tam, kde má výpočet nějaký vztah k reálnému světu (počty, balení, rozměry, hmotnosti, fyzikální vlastnosti, koordináty...) nebo kde se kladou extra podmínky k tomu, aby měl výpočet smysl. Je překvapivé, jak opomíjené to je téma. Dobrý typový systém by měl být standard, realite je ovšem jiná.

V praxi se to dohání nejčastěji implementací pomocí knihoven - příklady: Geografická knihovna mi nedovolí sčítat zeměpisnou délku se šířkou a poskytne jakž takž nějakou záruku, že má prováděný výpočet reálný geografický smysl.

Další příklad: Matematické knihovny pro počítání s určitou kategorií čísel, například BigDecimal nebo BigInteger. Sice nepohlídá jednotky, ale alespoň garantuje určité vlastnosti kladené na danou kategorii čísel. To samé knihovny pro komplexní čísla.
-- OldFrog
27.4. 20:59 Tomáš
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
Taky záleží na tom, jak se to projeví na výkonu. Třeba v Pythonu se nám vyplácelo některé úkony řešit poněkud humpolácky manuálně, než to nechat na Pythonu. Nějaké počítání s jednotkami by nám to úplně zabilo.

Taky je otázka, jak chytrá by taková knihovna mohla být. Třeba v geografických knihovnách je to samý sinus a kosinus, kde se dá nasekat plno chyb. Počítám, že tak chytré to asi nebude, aby to ohlídalo, že dosadím správný úhel.
27.4. 21:47 marbu | skóre: 31 | blog: hromada | Brno
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
Ideálně se to na výkonu neprojeví, viz ten příklad v Adě nebo F#, kde se ta kontrola se provede v rámci kompilace. Pro výpočty v Pythonu se často používá numpy, a i když ta knihovna pint podporu pro numpy má, nějaký další overhead tam určitě bude.
There is no point in being so cool in a cold world. Source code of the BioNTech/Pfizer SARS-CoV-2 Vaccine
30.4. 09:15 Jindřich Makovička | skóre: 17
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
Jinak C++ má boost::units, kde se taky všechno řeší při kompilaci. A std::chrono už zvládá časové jednotky taky obstojně.
HO▽ORK△ avatar 28.4. 10:34 HO▽ORK△ | skóre: 4 | blog: HOVORKUV_CTVERECKOVANY_SVET_DO_KAZDE_DOMACNOSTI
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
28.4. 16:24 marbu | skóre: 31 | blog: hromada | Brno
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
Neřekl bych, že tu existuje něco jako limit na počet tučňáků nebo zákon o zachování jejich počtu, ale můžu se mýlit :)
There is no point in being so cool in a cold world. Source code of the BioNTech/Pfizer SARS-CoV-2 Vaccine
28.4. 11:20 luky
Rozbalit Rozbalit vše Re: Podpora pro rozměrovou analýzu v programovacích jazycích
V C toto jde hlidat nastrojem sparse.

Založit nové vláknoNahoru

ISSN 1214-1267   www.czech-server.cz
© 1999-2015 Nitemedia s. r. o. Všechna práva vyhrazena.