Fiberもどきの「Protothreads」は既存RTOSとの組み合わせで力を発揮する：リアルタイムOS列伝（43）（3/3 ページ）

[大原雄介，MONOist]

インプリメントは6行、コードの可読性が大幅に向上

　では、Protothreadsはこれをどうやって実現しているのか。その種明かしが図7になる。「インプリメントは6行」などと自慢しているが、実際にProtothreadsの全体はpt.hの中に格納されており、しかも本当に6行である。もっとも図7のコードはやや古いバージョンのもので、最新バージョンだともう少し複雑だしAPIも増えている（PT_SPAWN()やPT_RESTART()なども追加されており、関数（？）は全部で13個になっている）が、基本は同じである。

図7　要するに全部マクロである。PT_BEGIN()とPT_END()で挟まないとうまくいかない理由がこれで分かる［クリックで拡大］ 出所：Adam Dunkels氏の論文

　これは全部C言語のマクロだから、プリプロセッサを通すと図8のように展開される。最初に「Fiberもどき」と書いたのは、要するにこれはPreemptiveもへったくれもなく、実際にはSingle Task／Process／Threadで動作しているにもかかわらず、あたかもMulti Task／Process／Threadで動いているかのように見せかけているわけである。

図8　赤枠のLine numberのところ、マクロの方は“__LINE__”とされている。要するにソースの行番号はユニークに定まるので、その行番号を使って識別を掛けているわけだ［クリックで拡大］ 出所：Adam Dunkels氏の論文

　ではこれにどんなメリットがあるのか。例えば、ワイヤレスでの通信の後に一定期間スリープすることで消費電力を削減するという、よくあるコードを普通に書くと図9のようになるが、Protothreadsを使うと図10のレベルまでシンプル化できる。可読性が上がるし、メンテナンスもしやすい。もちろんこれ、デバッガを使ってステップ動作で追っかけている時にはちょっと「？」になりそうだが、慣れればそれほど苦にはならないだろう。

図9　もう少し簡素化できそうな気はしなくもないが、大幅に簡略化するのはまぁ無理だろう［クリックで拡大］ 出所：Adam Dunkels氏の論文

図10　コードそのものはほとんど変わらないが、確かに見やすい［クリックで拡大］ 出所：Adam Dunkels氏の論文

　この可読性が向上する（＝複雑性が減る）というのはばかにならない効果であって、実際いろいろなドライバ類やコードにProtothreadsを使った際の効果も出ている（図11）。

図11　バグがあってもTR1001のドライバが動作していた、というのは確かに発見しにくい類だ（いっそ動かなければはるかに早く発見されていただろう）［クリックで拡大］ 出所：Adam Dunkels氏の論文

　コード数だけでなく、StateやTransitionの数も減らすことができており、効果は大きい。代償は、若干のコードサイズ増加（図12）と処理サイクル増加（図13）である。

図12　［そりゃまぁcase文で行番号を使っての分岐にしているから、普通はメモリサイズが増える。なのにContiki codepropのコードサイズが減っているのはどうしてだろう［クリックで拡大］ 出所：Adam Dunkels氏の論文

図13　見た目はともかく、実際にはSwitchなりGotoなりが入るから、その分若干遅くなるのは致し方ない［クリックで拡大］ 出所：Adam Dunkels氏の論文

　200バイトも増えるのは問題では？　と思うかもしれないが、これはコードサイズ（つまりROM側）であってRAM側の増加ではない。RAM側の方は、PT_BEGIN()を呼び出す際にunsigned shortの領域を1つ使うから、PT_BEGIN()を複数並行して使うようなケースではその数×2バイトの増加だが、これは大きな問題にならない範囲だし、処理サイクルのオーバーヘッドも言うほどには大きくない。メリットとデメリットを勘案すれば、許容できる範囲かと思う。

　Protothreadsの開発は2006年に終了しているが、最新版（v1.4：pt.hはv1.7）はDunkels氏のサイトから入手できる。しかもアーキテクチャ依存性もなく、ANSI Cに準拠したコンパイラを使える環境ならどこでも稼働する。実際AVR／PIC／MSP430／Arm／x86で動作するから、例えばWindowsのアプリケーションをVisual StudioでC++を使って記述するときにProtothreadsを利用することすら可能である。

　単独で利用する、というよりも既存のRTOS上での開発の際に、Protothreadsを組み合わせる、という使い方が便利そうである。ちなみにライセンスはOpen source BSD-style licenseで提供されており、ライセンス表記だけをしておけば、商用製品に使うこともできる。実装はシンプルだが、RTOSと非常に相性の良いライブラリ、といえるだろう。