数値計算フレームワーク「ポコム」(新形式)

2023/8/12以降 gcc/g++ で直接コンパイルするには -I. オプションが必要です。

プログラマーズガイド http://isaku-wada.my.coocan.jp/pocom/pocom.html

ダウンロード(Windows) (S-JIS) http://isaku-wada.my.coocan.jp/pocom/pocom.iso

ダウンロード(Ubuntu) (UTF8) http://isaku-wada.my.coocan.jp/pocom/pocom-utf8.tgz

ダウンロード(Other Linux) (EUC-jp) http://isaku-wada.my.coocan.jp/pocom/pocom-euc.tgz

更新履歴

旧形式

pocom.iso をダウンロードした場合は、それをダブルクリックしてマウントし、出現した pocom.zip を適当なフォルダにドラッグしてコピーします。その後、マイコンピュータ(PC)を開き、【DVD ドライブ(?:) POCOM】を右クリックして【取り出し(J)】を実行してアンマウントします。('?:'は環境によって'D:'や'E:'や'F:'のように変わります。マイコンピュータ(PC)に【DVD ドライブ(?:) POCOM】が表示されない場合は、 [F5]キーを押すか、右クリックして【最新の情報に更新(E)】実行してください。)

コピーした pocom.zip を右クリックして【全て展開(T)...】を実行し【展開(E)】をクリックします。新しく作成された pocom というフォルダを開いて $DoFirst.bat ファイルを実行します。

ポコムとは

ポコム(POrtable COMpiler)はＣ／Ｃ＋＋を使った、小型のフレームワークです。ポコムはフリーソフトウェアです。無料で使うことができます。ポコムは数値計算、なかでも待ち行列網、グラフ理論や統計分析に向いています。ポコムは軽くて速いプログラムを、手っ取り早く開発するのに向いています。ポコムを使う効果はつぎのとおりです。

複雑なデータ構造とアルゴリズムを簡素に書けます。
入出力とメモリ管理のプログラムを書く必要は、ほとんどありません。
高速なプログラムを作成できます。
入出力の形式が表計算ソフトのようにわかりやすく、柔軟性に富んでいます。
入力形式と出力形式が同じなので、出力ファイルをそのまま入力ファイルにすることができます。
どんな入力に対しても暴走しない、安全なプログラムを簡単に作成できます。
エラーメッセージが豊富で親切です。
高品質な乱数を使うことができます。(TinyMT でジャンプしたり、逆順に生成したりできます。)
ＣＳＶ形式で出力できるので、表計算ソフトへデータを渡すことができます。
移植性が高くなっています。ソースを編集せずに１６ビットコンパイラでも６４ビットコンパイラにも対応できます。Ｃ８９なら、１６～６４ビットのどのＣ／Ｃ＋＋コンパイラでもＯＫです。Ｃ言語なら calloc( ) 、Ｃ＋＋言語なら new [ ] が選択されます。配列の大きさ、名前の長さ、１行の長さ、変数行に書ける変数の数等も、コンパイラとメモリの許す限り大きくできます。ポコムはメモリを節約するように設計したので、１６ビットコンパイラのタイニーモデルでも、ある程度の大きさの問題まで解くことができます。また、読み込み速度も短くなるように工夫したので、６４ビットコンパイラで巨大なデータを処理するのにも向いています。 Shift-JIS、EUC-jp、UTF-8 の文字コードに対応しています。
プログラム上での変数名とデータファイル上での変数名は一致していますが、 Alias 関数で日本語に変更することができます。古いコンパイラや g++ 等、日本語の変数名に対応していないコンパイラでは便利です。

背景

現在、数値計算のプログラムを組む時に選べる言語はたくさんあります。

パソコンならエクセルのマクロを使うと便利です。エクセルなら４００種類以上のＶＢＡ関数やワークシート関数が使えます。また、エクセルの他の機能と組み合わせて、少ない手間でかなり高度なアプリケーションを作ることができます。必要ならＷｉｎＡＰＩビューアでＯＳレベルの操作も可能です。また、広く普及しているので多くの人に使ってもらえるのも強みです。

他にも、フリーソフトのａｗｋ，ｐｅｒｌ，Ｒｕｂｙ等の、スクリプト言語を使うと便利な場合があります。これらには、正規表現による検索等、あらかじめ使える機能が豊富に用意されています。また、柔軟なデータ構造を持っています。これら言語は、数値計算の分野でも、プロトタイプなどでよく使われます。

現在のこうした状況で、Ｃ／Ｃ＋＋で数値計算プログラムを作る意義は次の通りです。

(意義１) Ｃ／Ｃ＋＋は高速である: スーパーコンピュータにおけるＦＯＲＴＲＡＮを除けば、Ｃ／Ｃ＋＋よりも速い言語はアセンブラ位しかありません。問題の種類によりますが、エクセルのマクロの 20 倍位速くなります。また、ａｗｋの、80 倍位速くなります。Ｃ＋＋の素晴らしい点は、Ｃよりも言語仕様が複雑になったにもかかわらず、処理速度が全く遅くならないことです。一方、ＪａｖａやＣ＃は中間コードを生成したり、エラーチェックを計算時にも行うため遅くなりました。また、Ｃ／Ｃ＋＋は SSE2 や OpenCL など、ハードウェアの性能を引き出すこともできます。
(意義２) Ｃ／Ｃ＋＋は広く普及している: 大抵のプラットホームにＣコンパイラは用意されています。本も無数に出版されているので、使える人が大勢います。過去に蓄積したノウハウやライブラリを使うことができます。コンパイラや開発環境も、多くの使いやすい製品があります。

Ｃ／Ｃ＋＋はメモリ管理とデータの入出力は単純な仕様になっています。これが、Ｃ／Ｃ＋＋の柔軟性を高めるという長所であると同時に、自分で低レベルなプログラムを書かなければならないという欠点でもあります。そのため、Ｃは高級言語と呼ばれません。

そこで、プログラムごとに入出力を書かずに済ますために、共通のプログラムを作ることにしました。これがポコムです。

ＲＭＡＴを使った転置行列を作る例

ポコムによる数値計算プログラムがどのようになるか、転置行列を作るプログラム例 Tra.c を説明します。

#define FILE_NAME "Tra.c"

#if defined(PDEF_H)

 INT(N,3,          EJ("Size of matrix",  "行列の大きさ"              ))
 RMAT(SrcM,307,N,N,EJ("Input matrix",    "入力となる行列"            ))
 RMAT(DstM,307,N,N,EJ("Output matrix",   "転置した結果を記録する行列"))
 PROC(Transpose,   EJ("Transpose matrix","転置行列を作る計算ルーチン"))

#else

 #include "../pocom.h"
 CHECK_FILE_NAME

 void Transpose(void) {
     Int i,j;
     Check("SrcM"); Alloc("DstM");
     for (i=0;i<N;i++) for (j=0;j<N;j++) DstM[j][i]=SrcM[i][j];
 }

#endif

とします。 (３と３０７は、表示桁数を決めています。３は３桁、３０７は７桁・小数点以下３桁を意味します。詳しくはドキュメントを参照してください。)

ここで、入力ファイルと出力の例を以下に示します。

 SrcM
   2   5   7 ;
   4  13  20 ;
   8  29  50 ;

 Transpose
 Print N SrcM DstM

';' は行の終わり、空白行は配列の終わりを意味します。入力ファイルの行列 SrcM を読み込むと、変数Ｎは自動的に３になります。入力ファイルの Transpose を読み込むと計算が実行されます。そして、Print N SrcM DstM 文が出力する内容は以下のようになります。

 N   SrcM                      DstM     
   3   2.000   5.000   7.000 ;   2.000   4.000   8.000 ;
       4.000  13.000  20.000 ;   5.000  13.000  29.000 ;
       8.000  29.000  50.000 ;   7.000  20.000  50.000 ;

ポコムの目標

まず、「数値計算のプログラムを開発する」とは、「論文・教科書等の文献で説明されているデータ構造やアルゴリズムをＣ／Ｃ＋＋で記述こと」と考えました。そして、次のような目標を立てました。

(目標１)　計算ルーチンをシンプルにすること
(目標２)　計算速度を犠牲にしないこと
(目標３)　データ入力時のエラーチェックを厳しくすること

RMAT マクロを上の例のように宣言すると、ポコム内部では、ポインタ変数 double**SrcM; と、制御構造体 rmat_ SrcM_[1]; が確保されます。制御構造体は、入出力とメモリの管理を行うときに、利用されます。そして、必要に応じて、ポインタ変数 SrcM を設定します。Ｃ／Ｃ＋＋プログラム上での変数名と、データファイル上での変数名は一致します。

制御構造体を使った動作は、巧みに隠されていて、計算ルーチンを書く場合でも、意識する必要はありません。計算ルーチンでは、ポインタ変数 SrcM のみを使って、配列の各要素にアクセスします。プログラミングの面倒な部分は pocom.h に任せて、計算ルーチンはシンプルに書くことができます。

また、ＯＳやコンパイラに依存しないプログラムを簡単に書くことができます。さらに、文字コードも、Shift-JIS、EUC-jp、UTF-8 に対応しています。日本語を使っていても、ソースファイルとデータファイルを nkf などで変換するだけで、プログラムを編集せずに、簡単に他の文字コードに移ることができます。ポコムは、メモリを動的に確保して、無駄なメモリを使わないことに力を注いでいます。その結果、１６ビットコンパイラで動くプログラムのソースコードを、全く変更せずに、６４ビットでコンパイルして大規模データにも対応できます。

これにより(目標１)が実現できました。

今時、64Kbyteの制限を気にしてプログラミングするのは、時代遅れだと思うかもしれません。 4Gbyte以上のメモリを積むのがあたりまえの世の中、静的に大きい配列を確保しておいたほうが、プログラムが簡単になって良いという考えです。

でも、使用メモリを可能な限り小さくするのは、今でも重要なのです。使用メモリが小さければ、ＣＰＵ内臓のキャッシュメモリに全体が納まり、飛躍的に高速になる可能性があるからです。

また、計算で変数を読み書きする時に添え字の範囲チェックや、文字列処理、関数呼び出し等は行われません。これにより(目標２)が実現できました。

古いＭＳ－ＤＯＳでは、暴走するとシステムを再起動しなければならないだけではなく、フロッピー・ディスクを破壊する可能性もありました。ＵＮＩＸやＷｉｎｄｏｗｓでは暴走しても再起動する必要はありませんが、暴走の原因が分かりにくくなるので、避けるべきであることには変わりありません。 (目標３)は、このような背景から掲げられました。ポコムでデータを読みこみ、計算ルーチンで Check( ) を使って検査すると、暴走せずに、適切なエラーメッセージを表示して、安全に終了するプログラムを作成できます。

つまり、チェックは読み込みの段階で厳しく行なって、計算するときはスピードを優先するという方針です。