Boost sg msgpack

MessagePackとAPIバージョニング
近藤貴俊
2015/5/29 1Copyright OGIS-RI 2015

• 近藤貴俊
• 株式会社オージス総研
– IoT分野でMessagePackを利用した
データの収集、制御を行う
プラットフォームを開発している
• msgpack-c コミッタの一人
– 後述するMessagePackフォーマットを扱うための
C/C++ 実装
– C++版は
Cのwrapperではない
• C++Nowに
ここ6年くらい
連続参加中
2015/5/29 Copyright OGIS-RI 2015 2
自己紹介

MessagePackとは

MessagePackとは
https://github.com/msgpack/msgpack/blob/master/spec.md

• Website http://msgpack.org/
• JSONと同様
– ポータブル
– 基本的な型情報を内包
– コンポジットなデータ構造（詳細は次ページで）
• JSONとの違い
– サイズが小さい
– バイナリフォーマット
– バイナリデータもそのまま扱える
– 整数と浮動小数点数を区別
– Parseが容易で計算負荷が小さい
MessagePackとは？

MessagePackとは？
msgpack::object
nil boolean u64 i64 f64
str bin ext array map
*
*
double, float
object_kv
key val
※ クラス名は msgpack-c の名称で記載

MessagePackをサポートする言語

MessagePackをサポートする言語
このリストは github から自動収集して生成されているため
どのレベルで実装されているかは要確認

msgpack-c
中でも、C++にフォーカスをあてた内容で、
Cには当てはまらない内容もあるので注意

Pack/Unpack
2015/5/29 15
#include <tuple>
#include <string>
#include <sstream>
#include <msgpack.hpp>
int main() {
auto t1 = std::make_tuple("hello", true, 42, 12.3);
std::stringstream ss;
msgpack::pack(ss, t1);
msgpack::unpacked unpacked
= msgpack::unpack(ss.str().data(), ss.str().size());
msgpack::object obj = unpacked.get();
auto t2 = obj.as<std::tuple<std::string, bool, int, double>>();
assert(t1 == t2);
}
write(const char*, std::size_t)
メンバ関数を持つ、任意の型
Copyright OGIS-RI 2015
pack
unpack
convert

C++/object/byte stream
C++ Types
msgpack::object
Byte stream
pack object
pack unpack
convert
adaptor

Adaptor
https://github.com/msgpack/msgpack-c/wiki/v1_1_cpp_adaptor
C++ type msgpack::object type
bool bool
char* str
std::deque array
char positive/negative integer
signed ints *1 positive/negative integer
unsigned ints *2 positive integer
std::list array
std::map array
std::pair array
std::set array
std::string str
std::vector array
std::vector<char> bin
*1 signed ints signed char, signed short, signed int, signed long, signed long long
*2 unsigned ints unsigned char, unsigned short, unsigned int, signed long, signed long long
C++11 type
msgpack::
object type
std::array array
std::array<char> bin
std::forward_list array
std::tuple array
std::array array
std::unordered_map array
std::unordered_set array
boost type
msgpack::
object type
boost::optional<T> T
boost::string_ref str

自前のクラスのmsgpack対応
struct your_class {
int a;
std::string b;
MSGPACK_DEFINE(a, b);
};
intrusive

自前のクラスのmsgpack対応
struct my {
int a;
std::string b;
};
namespace msgpack {
template <typename Stream>
inline
packer<Stream>& operator<< (packer<Stream>& o, const my& v) {
o.pack_array(2);
o << v.a;
o << v.b;
return o;
}
} // namespace msgpack
non-intrusive

ADLを用いたアダプタの実現
namespace msgpack {
class packer {
public:
packer(Stream&) {}
template <typename T>
packer<Stream>& pack(const T& v) {
*this << v;
return *this;
}
};
// Default behavior
template <typename Stream, typename T>
inline packer<Stream>& operator<< (packer<Stream>& o, const T&) {
std::cout << "Default serialize" << std::endl;
return o;
}
// API
inline void pack(Stream& s, const T& v) {
packer<Stream>(s).pack(v);
}
int main() {
msgpack::pack(ss, 1);
msgpack::pack(ss, 1.2);
}
http://melpon.org/wandbox/permlink/L0WpfUz2hSUZ3ItM
version 0.5.9
まで

ADLを用いたアダプタの実現
namespace msgpack {
class packer {
public:
packer(Stream&) {}
*this << v;
return *this;
}
};
// Default behavior
inline packer<Stream>& operator<< (packer<Stream>& o, const T&);
// User defined adaptor
inline packer<Stream>& operator<< (packer<Stream>& o, int) {
std::cout << "Int serialize" << std::endl;
return o;
}
int main() {
}
version 0.5.9
まで
ユーザ定義のoperator<<オーバーロード

APIのバージョニング
• msgpack-c の C++版はヘッダオンリーライブラリとなった
• ヘッダオンリーライブラリであっても、古いABIのmsgpack-c
をincludeして作ったライブラリ(.a , .LIBなど)を、
新しいABIのmsgpack-cと合わせて使うと問題が生じる
– std::listのサイズをO(1)で求めることになった際にも
同様の問題が発生した
• これを防ぐために、ABIに変更が生じた場合、
古いバージョンはそのまま使い続けられるようにしたい
• ABIに関わらないバグフィックスなどは
古いバージョンにも反映していきたい
msgpack.hpp
userlib.cpplibuser.a
msgpack.hpp
client.cpp
include
生成
include
link

Inline namespace
The inline namespace mechanism is intended to support library evolution by providing a mechanism that support a
form of versioning. Consider:
inline namespace V99 {
void f(int); // does something better than the V98 version
void f(double); // new feature
// ...
}
namespace V98 {
void f(int); // does something
// ...
}
namespace Mine {
#include "V99.h"
#include "V98.h"
}
We here have a namespace Mine with both the latest release (V99) and the previous one (V98). If you want to be
specific, you can:
#include "Mine.h"
using namespace Mine;
V98::f(1); // old version
V99::f(1); // new version
f(1); // default version
The point is that the inline specifier makes the declarations from the nested namespace appear exactly as if they had
been declared in the enclosing namespace.This is a very ``static'' and implementer-oriented facility in that the inline
specifier has to be placed by the designer of the namespaces -- thus making the choice for all users. It is not possible
for a user of Mine to say ``I want the default to be V98rather than V99.''
file V99.h
file V98.h
file Mine.h
http://www.stroustrup.com/C++11FAQ.html#inline-namespace

#include <iostream>
namespace msgpack {
// lib code v1
inline namespace v1 {
inline void foo() {
std::cout << "v1::foo()" << std::endl;
}
inline void bar() {
std::cout << "v1::bar()" << std::endl;
foo(); // A
msgpack::foo(); // B
msgpack::v1::foo(); // C
}
}
}
// client code
int main() {
std::cout << "msgpack::bar();" << std::endl;
msgpack::bar();
std::cout << "msgpack::v1::bar();" << std::endl;
msgpack::v1::bar();
} http://melpon.org/wandbox/permlink/ncTAeERuXByq80Y3
msgpack::bar();
v1::bar()
v1::foo()
v1::foo()
v1::foo()
msgpack::v1::bar();
v1::bar()
v1::foo()
v1::foo()
v1::foo()

namespace msgpack {
namespace v1 {
void bar();
}
inline namespace v2 {
using v1::bar;
void foo() {
}
}
namespace v1 {
void foo() {
}
void bar() {
std::cout << "v1::bar()" << std::endl;
foo(); // A bar()が定義されている名前空間v1のfoo()が呼び出される
msgpack::foo(); // B v2のfoo()が呼び出される
msgpack::v1::foo(); // C 明示的に指定された名前空間のfoo()が呼び出される
}
}
} http://melpon.org/wandbox/permlink/8HBPTxCmuTiuluaz
msgpack::bar();
v1::bar()
v1::foo()
v2::foo()
v1::foo()
msgpack::v1::bar();
v1::bar()
v1::foo()
v2::foo()
v1::foo()
BとCを上手く使い分けることでバージョニングを実現

A
B
C
msgpack::B()
msgpack::C()
V1
D
msgpack::D()
inline namespace

A
B
C
A
ABI変更
msgpack::B()
msgpack::C()
V1 V2
D
msgpack::D()
msgpack::B()
inline namespace
using v1::B
using V1::C
using v1::D

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A
B
C
A
C
ABI変更
msgpack::B()
msgpack::C()
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
msgpack::B()
inline namespace
msgpack::D() using v2::D

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A
B
C
A
C
ABI変更
msgpack::B()
msgpack::C()
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
msgpack::B()
inline namespace

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A
B'
C
A
C
ABI変更
msgpack::B()
msgpack::C()
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
msgpack::B()
inline namespace
CのABI変更対応

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A
B'
C
A
C
ABI変更
msgpack::B()
msgpack::C()
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
msgpack::B()
inline namespace
msgpack::D()
using v2::A
using v2::B
using v2::D
CのABI変更対応
B'のABIに変更が無ければこれでOK

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A
B'
C
A
C
ABI変更
msgpack::B()
msgpack::C()
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
msgpack::B()
inline namespace
msgpack::D()
using v2::A
using v2::B
using v2::D
B'のABIに変更が生じる場合
CのABI変更対応

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A
B''
C
A
C
ABI変更
msgpack::B()
msgpack::v1::C()
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
msgpack::B()
inline namespace
msgpack::バージョン名前空間:: 修飾することで
明示的に特定バージョンの名前空間を参照
msgpack::名前空間修飾することで inline namespaceを参照
CのABI変更対応
をここでは行わない

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A
B''
C
A
C
ABI変更
msgpack::B()
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
Bmsgpack::B()
inline namespace
msgpack::v1::C()
msgpack::D()
msgpack::C()
using v2::D
CのABI変更対応
ABI変更

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A
B''
C
A
C
ABI変更
msgpack::B()
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
B
CのABI変更対応
msgpack::B()
inline namespace
msgpack::v1::C()
msgpack::D()
msgpack::C()
using v2::D
ABI変更

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A'
B''
C
A'
C
ABI変更
msgpack::B()
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
B
CのABI変更対応
msgpack::B()
inline namespace
msgpack::v1::C()
msgpack::D()
msgpack::C()
using v2::D
ABI変更
BのABI変更対応BのABI変更対応

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A'
B''
C
A'
C
ABI変更
msgpack::B()
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
B
CのABI変更対応
msgpack::B()
inline namespace
msgpack::v1::C()
msgpack::D()
msgpack::C()
using v2::A
using v2::D
ABI変更
BのABI変更対応BのABI変更対応
A'のABIに変更が無ければこれでOK

using v1::B
using V1::C
using v1::D
A''
B'
C
A''
C
ABI変更
V1 V2 V3
D
msgpack::D()
B
ABI変更対応
A
inline namespace
msgpack::v1::C()
msgpack::v1::B()
msgpack::v1::B()
msgpack::D()
msgpack::C()
msgpack::B()
using v1::D
A'のABIに変更がある場合

ADL問題
namespace msgpack {
class packer {
public:
packer(Stream&) {}
*this << v;
return *this;
}
};
// Default behavior
return o;
}
// API
}
int main() {
}
msgpack::operator(*this, v); と書かなければ、inline namespaceは
参照されない

ADL問題
namespace msgpack {
class packer {
public:
packer(Stream&) {}
msgpack::operator<<(*this, v);
return *this;
}
};
// Default behavior
return o;
}
// API
}
int main() {
}
http://melpon.org/wandbox/permlink/WlEDZo53McLh61AT
error: no member named 'operator<<' in namespace 'msgpack'

ADL問題
namespace msgpack {
class packer {
public:
packer(Stream&) {}
return *this;
}
};
// Default behavior
return o;
}
// API
}
template <typename Stream> class packer;
packer<Stream>& operator<< (packer<Stream>& o, const T&);
http://melpon.org/wandbox/permlink/Mkp68SjWv9jsEqlD
先行宣言を入れてみると。。。

ADL問題
namespace msgpack {
class packer {
public:
packer(Stream&) {}
return *this;
}
};
// Default behavior
inline packer<Stream>& operator<< (packer<Stream>& o, const T&){...}
return o;
}
http://melpon.org/wandbox/permlink/Mkp68SjWv9jsEqlD
int main() {
}
ユーザ定義のオーバーロードが呼ばれない

ADL問題
namespace msgpack {
class packer {
public:
packer(Stream&) {}
return *this;
}
};
// Default behavior
inline packer<Stream>& operator<< (packer<Stream>& o, const T&){...}
return o;
}
http://melpon.org/wandbox/permlink/tE5b4taP6cQPicXb
packer<Stream>& operator<< (packer<Stream>& o, int);
int main() {
}
ユーザ定義のオーバーロードの先行宣言を入れると
期待通りディスパッチされる

ADL問題
msgpackの先行宣言群
ユーザの先行宣言群
msgpackのライブラリ本体
ユーザのコード本体
#include <msgpack_fwd.hpp>
user.cpp
このアプローチの行き着く先にあるもの
ユーザコードの書き方に大きな制約を課してしまう

なにが問題なのか？
• オーバーロードによるアダプタの実現
– オーバーロードは、呼び出しコードがinstantiateした際、
そこから見えている関数が候補となる
– ADLによって、呼び出しコードのinstantiate を遅延
– ADLを使うためには、名前空間修飾してはならない
• APIバージョニングの実現
– 名前空間修飾しないとAPIバージョニングできない
• この2つの相性が悪い

オーバーロードに変わる手段
class packer;
packer& operator<< (packer& o, const T&);
template <>
packer& operator<< <int> (packer& o, const int&);
http://melpon.org/wandbox/permlink/Jf9HNZaV8IFFE32W
packer<Stream>& operator<< <int> (packer<Stream>& o, const int&);
テンプレートの特殊化を使えばinstantiateは遅延される
しかし、関数テンプレートの部分特殊化はできない
もし、packerがクラステンプレートで無ければ、完全特殊化で対応できるのだが
部分特殊化するためには、関数テンプレートではなくクラステンプレートが必要
T を特殊化した int に置き換えるため、
引数をconst int& にしなければならない

struct pack {
msgpack::packer<Stream>&
operator()(msgpack::packer<Stream>&, T const&) const;
};
packer<Stream>& operator<< (packer<Stream>& o, int);
template <>
struct pack<int> {
msgpack::packer<Stream>&
operator()(msgpack::packer<Stream>&, int) const;
};
今回のケースでは、クラステンプレートの(完全)特殊化と
メンバ関数テンプレートという構成で対応できた
いままでの、関数テンプレートオーバーロードによるAdaptor
クラステンプレートの特殊化によるAdaptor
http://melpon.org/wandbox/permlink/pcJUNyGh7zHMYLmS

#include <iostream>
#include <sstream>
namespace msgpack {
namespace adaptor {
struct pack {
packer<Stream>& operator()(packer<Stream>& o, const T&) const {
return o;
}
};
} // namespace adaptor
class packer {
public:
packer(Stream&) {}
msgpack::adaptor::pack<T>()(*this, v);
return *this;
}
};
// API
}
http://melpon.org/wandbox/permlink/pcJUNyGh7zHMYLmS
namespace msgpack {
namespace adaptor {
template <>
struct pack<int> {
packer<Stream>& operator()(packer<Stream>& o,
int) const {
return o;
}
};
} // namespace adaptor
int main() {
}

まとめ
• ユーザ定義の型などに対して
拡張性を持たせたい場合
関数のオーバーロードよりも
クラステンプレートの特殊化の方が柔軟に対応できる
– 例：名前空間によるAPIバージョニングとの共存
• 将来が予測できない場合、最も柔軟なメカニズムで
実装しておくと後々苦労しない
– msgpack-cは、ライブラリが提供している、
既存の全てのオーバーロードベースのアダプタを
クラステンプレートに書き換えた
– 書き換えの際、当然ながら既存のユーザコードへの影響が出た
– msgpack-cではこれを
メジャーバージョンアップに伴う破壊的変更とし、
マイグレーションガイドなどのドキュメントも用意した

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