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2016/12/20

AST Visitorを使った静的解析

Posted: 11:41:19 |

この記事はPowerShell Advent Calendar 2016の20日目です。

はじめに

前々回はASTの概要について述べ、最後にAST.FindAllメソッドを使って、ASTから指定のASTノードを検索する方法について説明しました。

前回はASTを再帰的に検索して、木構造を視覚化してみました。

今回もASTを検索する話なのですが、静的解析機能を実装するためのAST Visitorを用いる方法について説明します。が、あらかじめお断りしておきますが、静的解析の実装までは今回はたどり着きません。静的解析ツールをどう作るかorどう作られているか、ということを雰囲気で味わっていただければと。

Visitorパターン

AST Visitorの説明をする前に、まず、Visitorパターンについて簡単に。

Visitorパターン[Wikipedia]というのは、オブジェクト指向言語におけるデザインパターンの1つで、対象オブジェクトを巡回する「訪問者」クラスを定義するものです。Visitorクラスでは、対象クラスごとに行う処理を、個別にvisitメソッドをオーバーロードさせることで定義します。共通のVisitor抽象クラスを継承することで、異なる機能を持ったVisitorクラスを作ることができます。

一方、処理対象クラスには、Visitorオブジェクトを引数に受け取る、acceptメソッドを定義します。acceptメソッドでは、引数として受け取ったVisitorオブジェクトのvisitメソッドを呼ぶことで、処理を実行させます。

なお、処理対象クラスが子要素クラスを持つ場合には、acceptメソッド内で、子要素クラスのacceptメソッドを呼ぶようにします。こうしておくことで、Visitorは処理対象を再帰的に巡回できるようになります。

このように処理対象クラスから、実際に処理を行う機能をVisitorクラスとして分離することで、処理対象クラスに手を加えることなく、Visitorクラスを追加して、処理内容を増やしたりすることが可能になります。

AST Visitorの呼び出し

Visitorパターンを念頭において、AST Visitorの呼び出し方を見ていきましょう。Ast抽象クラスには、以下の2つのVisitメソッドが定義されています。

説明に入る前に注意点。メソッド名は"Visit"となっていますが、Visitorパターンでいうところの"accept"メソッドのことです。なぜメソッド名がAcceptじゃないのかは不明ですが…。

ともかく、AstクラスのVisitメソッドは、AstVisitor抽象クラスを継承したクラスのオブジェクトか、ICustomAstVisitorインターフェースを実装したクラスのいずれかを引数に取ることで、ASTに対する処理を実施します。

AstVisitor抽象クラスを継承、もしくはICustomAstVisitorインターフェースを実装することで、ASTの種類に応じた巡回処理を行うクラスを、自分で定義していきます。

AstVisitor抽象クラス

AstVisitor抽象クラスは、Visitorとしての基本的な機能があらかじめ実装されています。具体的には既に以下の機能は用意されています。

ASTの種類に応じたVisitメソッドの定義
すべての種類のASTに対応するVisitメソッド（50個以上）がVirtualメソッドとして定義されています(※)。例えば、IfStatementAstに対する処理を行うための、VisitIfStatementメソッドがあります。
※一般的なVisitorパターンでは、Visitメソッドを対象クラス分オーバーロードさせますが、PowerShellのAstVisitorは対象クラスに応じた別名のメソッドを定義する方式です。これも理由は分かりませんが、オーバーロードにするには多すぎるからかもしれません。
子ノードの再帰的な巡回
各Visitメソッドには、ASTの子ノードに対し、再帰的にVisitメソッドを呼ぶ仕掛けがあらかじめ備わっています。
ノード巡回の停止
各VisitメソッドはAstVisitAction列挙型を返却します。以下のように返却する値によって、ノード巡回の継続、停止を制御できます。
- Continue：ノード巡回を継続（デフォルト）
- SkipChildren：子ノードの巡回を行わない
- StopVisit：巡回を終了する

カスタムAstVisitorクラスを作成する

以上の基本的な機能を踏まえて、AstVisitor抽象クラスを実装したカスタムVisitorクラスを作ります。C#で書くのが一般的ですが、せっかくなのでPowerShell v5で追加された、クラス構文を使って書いてみましょう。

例えば、「利用しているコマンドのリストを取得する。ただし、コマンドのパラメータ内で別コマンドを呼び出している場合は除く。」というお題を解くことを考えます。

ASTのFindAllメソッドだと、配下に含まれるすべてのCommandAstを取得してしまうので、単純にはいきません。そこでカスタムAstVisitorクラスの出番です。

このお題を実現するVisitorクラスは以下のようになるでしょう。

using namespace System.Management.Automation.Language

class GetCommandNamesVisitor : AstVisitor
{
    [string[]]$CommandNames = @()

    [AstVisitAction]VisitCommand([CommandAst]$commandAst)
    {
        $this.CommandNames += $commandAst.CommandElements[0].Extent.Text
        return [AstVisitAction]::SkipChildren
    }
}

PowerShellのクラス構文において、Virtualメソッドのオーバーライドは、単に同名のメソッドを定義するだけですので、ここではVisitCommandメソッドをオーバーライドします。

プロパティとフィールドの区別はないので、コマンド名の一覧を格納するCommandNamesプロパティは上記のような定義になります。メソッド内でクラスメンバを参照する際には$thisを用います。

作成したGetCommandNamesVisitorクラスをインスタンス化し、解析対象スクリプトブロックのASTのVisitメソッドに引数として渡します。

$scriptBlock = {
    $files = Get-ChildItem -Path (Get-Location | Split-Path -Parent) -File
    $files | 
        Sort-Object -Property LastWriteTime -Descending | 
        Select-Object -First 5
}

$visitor = New-Object GetCommandNamesVisitor
$scriptBlock.Ast.Visit($visitor)
$visitor.CommandNames

実行すると、結果は

Get-ChildItem
Sort-Object
Select-Object

のようになるかと思います。

AstVisitorクラスの具体的な実装については、PSReadLineやPowerShellEditorServicesにありますので、参考にしてみてください。

ICustomAstVisitorの実装

前項で述べた、AstVisitor抽象クラスを継承したカスタムAstVisitorクラスの場合、基本的な処理を実装する必要はないですし、目的とするASTクラスに対するVisitメソッドだけオーバーライドすればいいので、非常に簡便です。

ただ、本格的にPowerShellの構文解析を行いたい場合、ノードの巡回順だとか、その他もろもろをもっと細かく自分で実装したいケースが出てきます。

そういった場合にはICustomAstVisitorインターフェースを実装したクラスを作って対応します。ICustomAstVisitorインターフェースも、AstVisitor抽象クラス同様、各ASTクラスに応じたVisitメソッドが定義されているのですが、各VisitメソッドはAstVisitAction列挙体ではなく、object型のオブジェクトを返します。つまり、自分で好きなオブジェクトを返すように定義できるわけです。

Ast.Visit(ICustomAstVisitor)はAstVisitor抽象クラスを引数に取る場合と異なり、objectを返却するのですが、このとき返却されるのは、最初に実行されたVisitメソッドの戻り値になります。

ICustomAstVisitorはインターフェースですので、処理はすべて自分で定義しなくてはなりません(※)。ノードの再帰的探索も、必要ならもちろん自前で実装する必要があります（前回紹介した、JSON化スクリプトのような処理になるかと思います）。

※ISEだとインターフェースの実装を一発で行うリファクタリング機能はないので、今回みたく実装すべきメンバがたくさんある場合は、こんな感じのひな形を作るスクリプトを使うと良いでしょう。

今回はICustomAstVisitorインターフェースを実装したクラスの実例まではご紹介できませんでしたが、興味のある方は、PSScriptAnalyzerで用いられているので参考にしてみてください。

まとめ

PowerShellのASTについてきちんと解説している記事が英語圏を含めてもあまりないようでしたので、3回に渡って、一通りの基礎知識をまとめてみました。

普通にPowerShellを使っている分には、滅多に使うことはないと思いますが、たとえばPSScriptAnalyzerのカスタムルールを自分で作る場合には、ASTの知識は必須になってきますので、必要に応じて参考にしていただければ幸いです。

2016/01/11

関数内でのリソース解放処理

Posted: 13:30:20 |

注：最後に書きましたが、この記事の内容には未解決問題が残っています。

はじめに

前回は、パイプラインを下流の関数内で打ち切る方法について説明しました。

今回は逆に、下流でパイプラインが打ち切られた場合、上流の関数ではどう対応すべきなのか、特にリソース解放処理を焦点にして考察してみます。

パイプラインが打ち切られるケース

前回も説明しましたが、パイプライン内の関数またはコマンドレットで何らかの例外が発生すると、パイプライン処理がその時点で打ち切られます。パイプライン処理が打ち切られると、後続のprocessブロックのみならず、パイプラインに含まれるすべてのendブロックの実行もスキップされてしまいます。

ところでコマンドレットや関数では何かエラーが発生した場合、コマンドレットではWriteErrorメソッド、関数ではWrite-Errorコマンドレットを使ってエラーストリームに、生の例外オブジェクトをラップしたErrorRecordを出力し、呼び出し側のErrorActionの設定にエラー時の処理を委ねるのが基本です。

呼び出し時のErrorAction指定がContinue、SilentlyContinue、Ignoreの場合は、パイプラインが中断することはありませんが、StopやInquireで中断した場合は例外（ActionPreferenceStopException）がthrowされ、パイプラインは打ち切られます。
（ちなみにv3からはStopで中断した場合は、コマンドレットがエラーストリームに書き出したErrorRecordに含まれるExceptionがthrowされる）

また、継続不能エラーが発生（ThrowTerminatingErrorメソッド）したり、.NETの生の例外がそのままthrowされたり（お行儀が悪いですが）、breakステートメント（FlowControlException）が実行されたり、Select-Object -First（StopUpstreamCommandsException）が実行された場合も、同様にパイプラインは打ち切られます。

つまり、下流のコマンドでパイプラインが打ち切られるケースというのは色々あり得るので、endブロックというのは実行が確約されたものでは全くない、ということに留意しておく必要があります。

関数内のリソース解放処理

確実に実行したい後処理というのは色々あると思いますが、特に確保したリソースの解放というのは確実に実行してもらわないと困ります。

しかし、前述のような背景があるので、何らかのリソースを用いる関数を書く際に、beginブロックでリソースを確保し、processブロックでリソースを利用し、endブロックでリソースを解放する、ということは基本はNGということになります。

この点、コマンドレットクラスであれば、IDisposableインターフェースを実装しておけば、コマンドレット終了時にDisposeメソッドをPowerShellが呼んでくれるので、その中にリソース解放処理を記述しておけばOKです。しかし関数ではこの手法が使えないので、代替案を考える必要があります。

パイプライン処理の後始末をしよう - 鷲ノ巣であえとす氏が考案した、beginブロックに後処理用の関数を定義しておく方法では、同じ関数内のprocessブロックで発生したエラーをcatchしてリソース解放処理を走らせることは可能です。が、残念ながら下流で発生した例外をcatchすることはできず、その場合は後処理がスキップされてしまいます。

リソース解放処理を含めた関数

あえとす氏の方法を若干アレンジして、下流で例外が発生した場合も確実にリソース解放の後処理を走らせる方法を考えてみました。以下にコードを示します。

※クラス構文を使ってますが、これは単に、Disposeできるオブジェクトのサンプルだと思ってください。

class SomeResource : IDisposable
{
    [void]Dispose()
    {
        # ここで何らかのリソース解放処理を行ったものとする
    }
}

function Write-OutputWithResource
{
    [CmdletBinding()]
    param([Parameter(ValueFromPipeline)][psobject[]]$InputObject)
    begin
    {
        $resource = New-Object SomeResource # 後で解放する必要のある何らかのリソース確保

        function Clear-Resource
        {
            # リソースの解放処理
            $resource.Dispose()
        }
    }
    process
    {
        try
        {
            $processing = $true
            Write-Verbose "output_start: $InputObject"
            $InputObject # パイプライン出力
            Write-Verbose "output_end: $InputObject"
            $processing = $false
        }
        catch
        {
            # try内で例外が発生した場合はそのまま再スロー
            throw
        }
        finally
        {
            if($processing)
            {
                Write-Verbose "resource_dispose (on error)"
                Clear-Resource
            }
            Write-Verbose "output_finally: $InputObject"
        }
    }
    end
    {
        Write-Verbose "resource_dispose (at end)"
        Clear-Resource
    }
}

processブロック内のtryブロックでパイプライン下流に値を出力したとき、下流で例外が出てもcatchブロックが実行されないので、代わりに、必ず実行されるfinallyブロックから後処理を呼び出すようにしてみました。

ただし、パイプライン下流で例外が発生しなかった場合には、processブロック内ではリソース解放処理はしたくないので、例外発生の有無を$processingという変数の値を見ることで確認しています。もしパイプライン出力したあと下流で例外が出ていれば、$processingの値は$trueのままになるので判断可能です。

パイプラインが中断することなく、最後まで実行される場合は、endブロック内でリソース解放処理を行います。

同じ関数内で例外が発生したときのリソース解放処理についても、$processing = $trueと$processing = $falseの間に例外が発生する可能性のある処理を記述した上で、catchブロックで再throwすれば、併せて対応できるのではないかと思います。（それ用のtry..catchを記述してもいいですが）

関数の実行例

PS> 1..3 | Write-OutputWithResource -Verbose | Select-Object -First 2
詳細: output_start: 1
1
詳細: output_end: 1
詳細: output_finally: 1
詳細: output_start: 2
2
詳細: resource_dispose (on error)
詳細: output_finally: 2

このように、下流でパイプライン打ち切りがあるとendブロックは実行されませんが、リソース解放処理は、きちんとprocessブロック内のfinallyブロックから呼び出されています。

PS> 1..3 | Write-OutputWithResource -Verbose
詳細: output_start: 1
1
詳細: output_end: 1
詳細: output_finally: 1
詳細: output_start: 2
2
詳細: output_end: 2
詳細: output_finally: 2
詳細: output_start: 3
3
詳細: output_end: 3
詳細: output_finally: 3
詳細: resource_dispose (at end)

もちろんパイプラインが最後まで正常に実行された場合も、ちゃんと最後にendブロックでリソース解放が行えるようになっています。

おわりに

本当に、こうするしかないんですかね…？

PowerShellにもリソース利用のusingステートメント欲しいです、が、begin, process, endにまたがって機能するusingってどういう構文になるんでしょうね。

（14:22追記）と、ここまで書いておいて、この方法では下流で発生した例外には対処できますが、上流で例外が発生した場合はリソース解放が実行されないという問題に気付きました…。どうすればいいんだ…。

2015/12/21

[v5]パラメータ検証属性をclass構文で作ってみる

Posted: 23:56:13 |

この記事はPowerShell Advent Calendar 2015の21日目の記事です。

PowerShellの属性

PowerShellには2.0から言語機能として「属性」機能が追加されました。PowerShellの属性はC#の属性とほぼ同じものですが、2.0～4.0の時点では、高度な関数（Advanced Function）を作成するために関数に付与するCmdletBinding属性（記述上ではparamブロックに付与する形になる）、関数のパラメータに付与するParameter属性やAlias属性等、関数のパラメータや変数に付与する各種検証属性（Validate～、Allow～系）くらいしか使うことはなかったかと思います。

このうちパラメータ検証属性については、あえとす氏が以前詳しく解説しておられます。：パラメーターの検証属性について／前編 - 鷲ノ巣

PowerShellで属性クラスを作る

さて話は変わって、つい先日、WMF 5.0 / PowerShell 5.0がRTMしました。Windows 7/8.1、Windows Server 2008R2/2012/2012R2用のインストーラーが公開されたので、もう使っておられる方もいると思います。ぎたぱそ氏が一晩で解説記事を書いてくれてますね。

PowerShell 5.0では言語機能としてclass構文がついに追加されました。これでついにPowerShell言語も真の意味でオブジェクト指向言語の要素を完備したと言えるかと思います。

このclass構文、.NET Frameworkの既存のクラスを基底クラスとして継承するなんてことも、普通にできてしまいます。そこで私が考えたのは、もしかしてこれで属性も作れるんじゃない？ということでした。

v5のclass構文の基本的な部分の解説は、また別の機会にということにしまして、今回はいきなり、属性を作る話をしていきます。

ちなみにC#の属性については、属性 - C# によるプログラミング入門 | ++C++; // 未確認飛行 C が参考になります。PowerShellで属性を作る時も基本はだいたい同じかと思います。

属性クラスの例

属性パラメータ（コンストラクタ引数）にDescription、名前付きパラメータとしてNoを指定でき、classに適用可能なTest属性はこんな感じです。

[AttributeUsage([AttributeTargets]::Class)]
class TestAttribute : Attribute
{
    [string]$Description

    [int]$No

    TestAttribute($Description)
    {
        $this.Description = $Description
    }
}

これを利用する際は、まずこのclassを含むスクリプトをドットソースで実行することで、グローバルに読みこむ必要があるようです（同一スクリプト内に属性定義と属性利用をまとめて書くとうまく動作しない）。

呼び出し側では以下のように指定します。

[TestAttribute("クラスの説明", No = 1)]
class Foo
{
    $X = 1
}

通常なら[Test()]のように"Attribute"の部分は省略できるはずなんですが、これも何故かフルネームで指定しないとダメなようでした。

クラスに属性が正しく指定されているかどうかはリフレクションで調べます。

[Attribute]::GetCustomAttributes([Foo])

結果は

Description  No TypeId
-----------  -- ------
クラスの説明  1 TestAttribute

こんな感じです。

パラメータ検証属性を作る

これだけでは面白くないので、少し実用になるかもしれない属性を書いてみましょう。

ところで前述のあえとす氏の記事の後編では、C#でPowerShellのパラメータ検証属性を作る方法について解説されています。ただ、C#でPowerShellの実行空間にアクセスして、操作を行ったり情報を取得したりするのは、少し知識が必要な部分かと思います。

そこで、PowerShellで使う属性なんだからPowerShellで書いたら楽になるんじゃない？という発想で、パラメータ検証属性をクラス構文で書いてみました。

このサンプルは、パラメータ（または変数）値の型が、指定の型セットに含まれているかどうかを検証するものです。複数型を取るようにするためにパラメータの型を[psobject]にすることが良くありますが、この属性を利用して、指定可能な型を絞り込めるようになります。

using namespace System.Management.Automation

[AttributeUsage(([AttributeTargets]::Property) -bor ([AttributeTargets]::Field))]
class ValidateTypeSetAttribute : ValidateEnumeratedArgumentsAttribute
{
    [Type[]]$Types

    ValidateTypeSetAttribute($Types)
    {
        $this.Types = $Types
    }

    [void]ValidateElement([object]$element)
    {
        if(!($element.GetType() -in $this.Types))
        {
            throw New-Object ValidationMetadataException `
                "$($element.GetType().FullName) は許容されない型です。値は $($this.Types) のいずれかの型である必要があります。"
        }
    }
}

使い方は以下の通り。パラメータ検証属性の場合は、定義と同一スクリプト内で呼び出しても、"Attribute"を省略しても問題ないようです。

function test
{
    param(
        [ValidateTypeSet(,([int],[string],[double]))]
        [psobject]
        $obj
    )
}

test "a" #OK
test (Get-Process)[0] #NG

class構文のコンストラクタで可変長引数を定義する方法が分からなかったので、呼び出しがちょっと不格好ですが、そこはご容赦を。

2015/03/20

わんくま同盟大阪勉強会#62「PowerShell 5.0 新機能」資料公開

Posted: 13:01:36 |

これは、<a target="_blank" href="http://office.com/webapps">Office Online</a> の機能を利用した、<a target="_blank" href="http://office.com">Microsoft Office</a> の埋め込み型のプレゼンテーションです。

わんくま同盟大阪勉強会#62で行った、「PowerShell 5.0 新機能」セッションスライドを公開します。

WMF 5.0 Preview Feb. 2015時点でのPowerShell 5.0 / WMF 5.0の新機能は大体こんな感じにまとめられるかと思います。

Experimental design
- OneGet
- PowerShellGet
- クラス定義
- DSC（Desired State Configuration）機能強化
- デバッグ機能強化
- スクリプトアナライザー
- Auto-Generated Example-Driven Parsing
Stable design
- 監査機能の強化
- CMS (CRYPTOGRAPHIC MESSAGE SYNTAX) コマンドレット
- ODataエンドポイントのコマンドレット化
- シンボリックリンク操作機能
- zipファイル操作コマンドレット
- Networkスイッチ管理用コマンドレット

新機能のうち、目玉となりそうなOneGet、クラス構文、DSC機能強化についてはいずれもまだ一部もしくは全部がExperimental designなので、今後もまだ仕様変更が入るものと思われます。（逆に仕様に物申すことができるチャンスは今だけ）

まだ正式版リリース（今年中？）までに新要素が入る可能性はありますが、全体像はそろそろ見えてきたと思います。現時点でも相当に新要素が追加されており、個人的にはv4→v5はv2→v3の時並のインパクトがあるアップグレードですので、今のうちに予習を始めておくのが良いかと思われます。

なお、近々、PowerShell勉強会＠大阪（JPPOSH主催）でもPowerShell 5の話をする予定です。基本は同内容ですが、発表時点での最新情報を追加していこうと考えています。詳細が決まりましたらまた告知したいと思います。

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AST Visitorを使った静的解析

はじめに

Visitorパターン

AST Visitorの呼び出し

AstVisitor抽象クラス

カスタムAstVisitorクラスを作成する

ICustomAstVisitorの実装

まとめ

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関数内でのリソース解放処理

はじめに

パイプラインが打ち切られるケース

関数内のリソース解放処理

リソース解放処理を含めた関数

関数の実行例

おわりに

2015/12/21

[v5]パラメータ検証属性をclass構文で作ってみる

PowerShellの属性

PowerShellで属性クラスを作る

属性クラスの例

パラメータ検証属性を作る

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