GSLを使ってみよう

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1 GSL を使ってみよう Visual C/C++ で数値計算ライブラリを使う方法のメモ 九州大学大学院工学研究院 航空宇宙工学部門宇宙機ダイナミクス研究室 平山寛 2008/6/20

2 車輪の再発明 をしていないか? 車輪の再発明 ( しゃりんのさいはつめい ) とは 広く受け入れられ確立した技術や解決法を無視して 同様のものを再び一から作ってしまう事 の慣用句 英語では Reinventing the wheel であり 世界中で使われる 車輪を題材にして 広く受け入れられ確立した技術や解決法を無視して 同様のものを再び一から作ってしまう事 を示している 新たな付加価値が何もないものを作成するのにコストをかけることから 皮肉的なニュアンスで用いられる 再発明を行ってしまう理由としては 既存のものの存在を知らない 既存のものの意味を誤解している といったことが挙げられる 主にIT 業界 特にSE プログラマの間で良く用いられる これらの業界では ライブラリや先行事例があるにもかかわらず 多様な理由でそれを利用せず コードやプログラミング技法を再び一から作ってしまう事が多い 教育の現場では ある技術の意味を理解させるために 意図的に車輪の再発明を行わせる場合がある ウィキペディアの解説より引用

3 数値計算の場合 我々の分野でよく使う数値計算 数値積分 ( 微分方程式 ) ベクトル 行列計算 ベッセル関数, ルジャンドル関数 ( 摂動問題で ) これらは再発明しなくても 既存の数値計算ライブラリが利用できる 有名なのは Numerical Recipes 研究室に書籍があります ( ソースは書籍を見て打ち込むか 別途購入 ) GSL これを使ってみよう!

4 GSL って? GNU は UNIX の世界では定評のある フリーソフトフェア開発の有志団体 産総研 富永氏による和訳マニュアルから引用

5 信用できるだろうか? ブラックボックスにならないか? ソースコードは公開されています 数百ページに及ぶ詳細な説明書も公開されています つまり Numerical Recipes を丸写しするのと透明度は違わない 解説文書が不完全な 先輩のプログラムをもらうより良いかも 最新版がダウンロードできる 改訂の遅い Numerical Recipes の書籍版 ( とくに日本語 ) よりバグは少ないと考えられる Numerical Recipes も購入すればダウンロードできますが 開発集団はボランティアとはいえ計算科学の専門家 ( 恐らく ) 我々程度の生半可なプログラマが作るコードより信頼できると考えます 数値計算の理論そのものが専門ではないという意味で

6 入手方法 2008 年 6 月現在最新版は gsl-1.11 ソースコード (GNU 公式サイトから ) UNIX ならソースからコンパイルしてインストール Windows Visual C/C++ 用コンパイル済みバイナリファイル (CERN から ) ここから GSL_<version> LCG_<platform>.tar.gz というファイルをダウンロード 最新版は GSL_1.10 LCG_win32_vc71.tar.gz ちなみに CERN は欧州の素粒子研究所で 計算科学にも強く WWW 発祥の地

7 展開 tar.gz を展開できるソフトで 展開する 下図のようなディレクトリ構成になる include gsl ディレクトリ内にはヘッダファイル ( 拡張子 *.h) lib ディレクトリ内にはライブラリファイル ( 拡張子 *.lib, *.dll)

8 ヘッダファイルの配置 展開した gsl フォルダを (Visual Studioのインストール先 ) VC include の中にコピー これで ソースファイルからは #include <gsl/gsl_***.h> として参照できる

9 静的ライブラリ (*.lib) の配置 (Visual Studioのインストール先 ) VC lib 内に gsl フォルダを作る 展開した lib フォルダ内の *.lib ファイルを (Visual Studioのインストール先 ) VC lib gsl の中にコピー *.exp ファイルは ふつう使いませんが とりあえず一緒にコピー

10 動的ライブラリ (*.dll) の配置 gsl.dll と gslcblas.dll を実行 PATH の通った所に置く 定番の場所は 今後よく使うようなら C: WINDOWS system32 内へコピー この場合 一度だけコピーすればよい たまにしか使わないようなら 先にプロジェクトを作製 ( 次頁以降 ) し コンパイルしてから 生成された実行ファイル (*.exe) と同じ場所へコピー プロジェクトフォルダ内の debug ないし release というフォルダである この場合 新しいプロジェクトを作るたびに DLL をコピーして入れる必要がある gsltest というプロジェクトで使用する例 又は system32 へ

11 Visual C/C++ での設定概要 以上で GSLの使用準備は完了 続いて Visual C/C++ での作業となる 1. 新規プロジェクトを作製 2. C/C++ のプログラムソースを作成 ( 使用する関数のヘッダファイルをインクルードする ) 3. プロジェクトのプリプロセッサを設定 4. 静的ライブラリを設定 5. コンパイル 6. ( 必要なら )DLLを実行フォルダにコピー 7. 実行 これらの設定は 新規プロジェクトを作製するたびに行うこと 3 番以降の手順は DebugからRelease に切り換えたときも設定し直すこと

12 プログラミング プロジェクトを作成する 拡張子 *.c ないし *.cpp のプログラムを作製 使用する関数のヘッダファイルをインクルード #include <gsl/gsl_***.h> とします *** のところは関数の説明書で調べること (gsl_matrix.h など )

13 プリプロセッサの設定 プロジェクト メニューから プロパティ を開く 構成プロパティ C/C++ プリプロセッサ プリプロセッサの定義 に ;GSL_DLL を追加 プロジェクトに C/C++ のソースファイルを追加してからでないと現れない

14 静的ライブラリの設定 プロジェクト メニューから 既存項目の追加 して ライブラリフォルダに保存してある *.lib ファイルをプロジェクトに追加 gsl.lib GSL 基本ライブラリ : 必須 gslcblas.lib 線形代数ライブラリ : 必要に応じて (BLAS = Basic Linear Algebra Subprogram) gsl.exp gslcblas.exp gslml.lib gslcblasml.lib は 特殊なプロジェクトで使います とりあえず無視 プロジェクトのプロパティで設定する方法もあるけど 難しいので説明省略します ドラッグ & ドロップでも追加できます

15 サンプルプログラム #include <stdio.h> #include <gsl/gsl_rng.h> #include <gsl/gsl_vector.h> #include <gsl/gsl_blas.h> int main (void) { const gsl_rng_type * T = gsl_rng_default; gsl_rng * r = gsl_rng_alloc (T); int i; printf ("Here are ten random numbers in the range 0-99: n"); for (i = 0; i < 10; i++) { int k = gsl_rng_uniform_int (r, 100); printf(" %d", k); } printf(" n"); 乱数発生と行列演算のデモ GSL 1.2 for Visual C に付属していたサンプルです 実行結果 { double x[5] = { 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0} ; double y[5] = { 5.5, 4.4, 3.3, 2.2, 1.1} ; gsl_vector_view v = gsl_vector_view_array(x, 5); gsl_vector_view w = gsl_vector_view_array(y, 5); printf("blas operation DAXPY n"); printf("x:"); for (i = 0; i < 5; i++) { printf(" %g", x[i]); } ; printf(" y:"); for (i = 0; i < 5; i++) { printf(" %g", y[i]); } ; gsl_blas_daxpy (1.0, &v.vector, &w.vector); printf(" n"); printf("a x + y:"); for (i = 0; i < 5; i++) { printf(" %g", y[i]); } ; } printf(" n"); } return 0;

16 配布上の注意 プログラムが完成し構成を Debug から Release に変えたなら プリプロセッサの設定で ;GSL_DLL を追加し直す コンパイルした実行ファイルを 人に渡すときは 実行ファイルと同じフォルダに gsl.dllとgslcblas.dllを入れてあげるとよい

17 本稿での開発環境 この文章は以下の環境に基づいて執筆した Microsoft Windows XP SP2 Professional Microsoft Visual C Express Edition 他のバージョンではフォルダ名や メニューの名前が異なるかもしれない

18 参考サイト GSL 公式サイト 産総研富永氏による説明書の和訳

19 対抗品 Numerical Recipes について Numerical Recipes の公式サイト Numerical Recipes in C の英語版は無料でダウンロードできます Numerical Recipes in C++ は書籍販売のみ 掲載しているソースコードは $65 で販売 研究室に Numerical Recipes in C の日本語版書籍があります 原著の第 1 版の本文 + 第 2 版のコード相当 英語の直訳が多く読みにくい 数値計算アルゴリズムの教科書としてはよいと思うのですが ネットで検索すると けっこう批判意見も見つかるのが気になります Why Not Numerical Recipes? など ( 和訳 ) まあ それだけ大勢に利用されている証拠でもある