2016/01/03

PowerShellのパイプライン処理

まず、PowerShellのパイプライン処理について軽くおさらいします。

例えば、@、A、Bをそれぞれ何らかのコマンドとしたとき、

@|A|B

というパイプラインがあったら、処理の流れは、

@begin→Abegin→Bbegin→(@process→Aprocess→Bprocess→)×n→@end→Aend→Bend

の順に実行されます。(processブロックで「1入力に対し1出力する」場合以外は必ずしもこうならないですが)

さて、AかBのprocessブロック実行中に、何らかの条件を満たした時、パイプラインのprocessの後続処理を打ち切りたい場合はどうすれば良いでしょうか。

まずはbreakを使った駄目な例

ネットでよく見かける以下のようなコード、すなわち「パイプラインはbreakで処理を打ち切ることができる」というのは実は正しくないのです。

function Select-WhileTest
{
    [CmdletBinding()]             
    param (             
        [parameter(ValueFromPipeline=$true)] 
        [psobject[]]$InputObject,
        [parameter(Position=0)]           
        [scriptblock]$Predicate
    )

    process
    {
        if(!(&$Predicate))
        {
            break
        }
        $InputObject
    }
}

このコードはv2までではそもそも正しく動作しませんが、v3以降では条件によっては正しく動作しているように見えるのが、誤解の元なのかと思います。(というか私も誤解してました。)

例えば、

$result = "初期値"
$result = &{end{foreach($i in (1..5)){$i}}} | Select-WhileTest {$_ -lt 3}
Write-Host "`$resultは $result です。"

のようにすると、

$resultは 1 2 です。

のように、想定した通りの結果が得られます。このように、上流のスクリプトブロックのendブロック内にforeachなどループブロックが存在し、そのループブロック内で下流に値を出力している場合はうまくいきます。(ちなみに、スクリプトブロック直下に記述するのとendブロック内に記述するのは等価。)

しかし、上流にループブロックがない場合、例えば

$result = "初期値"
$result = 1..5 | Select-WhileTest {$_ -lt 3}
Write-Host "`$resultは $result です。"

とすると、コンソールに1と2が改行区切りで表示されますが、ホストに表示されるだけで$resultには値は格納されません。そしてスクリプト化して実行した場合は、Write-Hostが実行されることすらなく、スクリプトが終了してしまいます。

breakだとなぜうまくいかないのか

結局どういうことかというと、パイプライン下流のbreakは、パイプラインを打ち切る処理をするのではなく、単に一つ上流のブロックをbreakする処理に過ぎないのです。

パイプライン上流にループブロックがある場合は、そのループブロックをbreakしますが、それ以外の場合はスクリプトのbegin, process, endのいずれかのブロックがbreakされてしまい、結果としてスクリプトが終了してしまうわけですね。

そして、このSelect-WhileTest関数だと大丈夫ですが、processブロックの中にループブロックを記述し、その中でbreakを書くのは当然ダメです。単にそのループを抜けるだけなので、上流の出力は止まってくれません。

breakではなくcontinueを使う場合も基本は同じ結果です。しかもcontinueは所詮、その名の通り継続処理なので、上流に以下のような無限リストがあると無限ループに陥ってしまいます。

&{begin{$i = 0} process{while($true){$i++; $i}}}|Select-WhileTest {$_ -lt 3}

breakの代わりに、

throw (New-Object System.Management.Automation.PipelineStoppedException)

を実行する方法も見かけますが、これはループブロックがあっても強制的にスクリプトが終了するので余計ダメです。try...catchでエラートラップすればスクリプトの終了は回避できますが、「パイプラインが正常終了せずエラーを出した」扱いであることには代わりないので、やはり出力を変数に格納することができません。

ダミーループを用いる、取りあえずの解決策

前述のbreakを使った方法の問題点のうち、上流にループブロックがないとスクリプトが終了してしまい、出力を変数に代入することもできない問題は、とりあえず解決する方法があります。

以下のように、呼び出す時にパイプライン全体をダミーのループブロックでラップすれば良いのです。

$result = "初期値"
$result = do{
    1..5 | Select-WhileTest {$_ -lt 3}
}until($true)
Write-Host "`$resultは $result です。"

このようにしておけば、breakはパイプラインの外側のdo...untilを抜ける効果になるので、スクリプトが終了する心配も、値を出力しない問題も起こりません。

元々、パイプライン上流にループブロックが存在する場合でも、単にdoループ内の処理が1回走るだけなので、特に問題は起きません。1回だけ処理を実行するダミーループなら、for($i=0; $i -lt 1; $i++){}とかでも良いです。

ただ…この記述を美しいと思う人は多分いないですね。事情を知らないと意味不明ですし。そして、breakを記述する側の関数には、前述の通りのループブロック内では値を出力できないという制限は残ったままになります。

やはりbreakでパイプラインを打ち切るのは、本来想定された動作かと言われるとかなり微妙なところだと思います。(v3で一応動くようになったとはいえ)

この方法についての参考記事:Cancelling a Pipeline - Dreaming in PowerShell - PowerShell.com ? PowerShell Scripts, Tips, Forums, and Resources (ただしv2準拠の内容であることに注意)

ところで、Select-Object -Firstは…

さて、話は変わって、PowerShell 3.0からはSelect-Object -First の処理が変わったことについては、ご存知の方も多いかと思います。

具体的には、v2までは単にパイプライン処理をすべて終了してから、最初のn件を抽出する処理であったn件のパイプライン出力がされた後は、入力をすべてフィルタし出力に流さなくなる動作であったところが、v3からはn件のパイプライン出力がされた時点で、パイプラインの処理を打ち切るようになりました。(1/5修正)

つまり、

$result = 1..5| &{process{Write-Host "Process:$_"; $_}}| Select-Object -First 2
Write-Host "`$resultは $result です。"

というスクリプトは、v2までは

Process:1
Process:2
Process:3
Process:4
Process:5
$resultは 1 2 です。

のようにパイプライン出力は指示通り2件であるものの、上流の処理は結局、全部実行されてしまっています。

一方v3以降では、

Process:1
Process:2
$resultは 1 2 です。

のように、きちんと上流の処理を打ち切ってくれています。

つまり、ここまで述べてきたパイプライン処理の打ち切りは、実はv3以降のSelect-Object -Firstでは実現できているということです。これと同じことを我々も自作関数の中でやりたいわけです。

ではSelect-Object -Firstは具体的にどういう処理をしているかというと、StopUpstreamCommandsExceptionという例外をthrowすることでパイプライン処理の打ち切りを実現しています。この例外はまさに名前の通り、パイプライン上流の処理を中止するための例外です。この例外を自作関数でthrowしてやればうまくいきそうです。

しかし、この例外は非publicな例外クラスであることから、New-Objectコマンドレットなどでインスタンス化することはできません。リフレクションを駆使する必要がでてきます。
参考:PowerShell 3.0からはじめるTakeWhile - めらんこーど地階

(1/5追記)参考2:パイプラインの処理を途中で打ち切る方法のPowerShell版 - tech.guitarrapc.cóm(Add-TypeでC#経由でリフレクションしてます。)

頑張ればできなくはないですが、もっと楽な方法はないものか…と思ってあきらめかけたところ、いい方法を思いついたので紹介します。

Select-Object -Firstを利用する方法

Select-Object -Firstでできることが我々には(簡単には)できない。ならばどうするか。Select-Object -Firstを使えばいいじゃない。という発想です。

function Select-While
{
    [CmdletBinding()]             
    param (             
        [parameter(ValueFromPipeline=$true)] 
        [psobject[]]$InputObject,
        [parameter(Position=0)]           
        [scriptblock]$Predicate
    )

    begin
    {
        $steppablePipeline = {Select-Object -First 1}.GetSteppablePipeline()
        $steppablePipeline.Begin($true)
    }

    process
    {
        if(!(&$Predicate))
        {
            $steppablePipeline.Process($InputObject)
        }
        $InputObject
    }

    end
    {
        $steppablePipeline.End()
    }
}

scriptblockにはGetSteppablePipelineというメソッドが存在し、このメソッドによりSteppablePipelineオブジェクトが取得できます。これは何かというと、要は「スクリプトブロック内のbegin, process, endを個別に実行する」ための機能です。
参考:PowerShell: ◆パイプライン入力・パラメータ入力対応のGridView出力関数を作る(私自身も以前この記事で知りました。)

{Select-Object -First 1}というスクリプトブロックは、1回目に実行するprocessブロック内でStopUpstreamCommandsExceptionを出してくれます。

よって、自作関数のprocessブロック内のパイプライン処理を打ち切りたい箇所で、SteppablePipelineオブジェクトのProcessメソッドを使うことで、{Select-Object -First 1}のprocessブロックの処理を呼び出してやればいいわけです。

このようにして作成したSelect-While関数を以下のように実行してみると、

# 上流にループあり
$result1 = &{end{foreach($i in (1..5)){$i}}} | Select-WhileTest {$_ -lt 2}
Write-Host "`$result1は $result1 です。"

# 上流にループなし
$result2 =  1..5 | Select-While {$_ -lt 3}
Write-Host "`$result2は $result2 です。"

# 上流に無限リスト
$result3 = &{begin{$i = 0} process{while($true){$i++; $i}}} | Select-While {$_ -lt 4}
Write-Host "`$result3は $result3 です。"

結果は

$result1は 1 です。
$result2は 1 2 です。
$result3は 1 2 3 です。

となり、少なくとも今まで述べてきた諸問題はすべて解消していることが分かると思います。

このSelect-While関数は、スクリプトブロックで指定した条件を満たさなくなったときに、パイプライン処理を打ち切ってくれるものですが、この「Steppable Select -First 方式」を使えば他の自作関数でも、割と気楽に呼べるんじゃないかなと思います。ループブロック内で呼び出すことももちろん可能です。

ただし問題点はある

これはSelect-Object -FirstというかStopUpstreamCommandsExceptionあるいはPowerShellのパイプライン機構の仕様に由来する問題であると思われるので、どうにもならないことではあるんですが、一点だけ注意事項があります。

$result = 1..5| &{
    begin
    {
        Write-Host "Begin"
    }
    process
    {
        Write-Host "Process:$_"
        $_
    }
    end
    {
        Write-Host "End"
    }
}| Select-While {$_ -lt 2}

Write-Host "`$resultは $result です。"

これの結果は

Begin
Process:1
Process:2
$resultは 1 です。

となり、なんとendブロックが実行されていません。Select-While {$_ -lt 2} の代わりに Select-Object -Firstを使っても、同様にendは実行されません。

つまり、StopUpstreamCommandsExceptionというのはパイプライン処理を打ち切って、そこまでの出力値を正しくパイプライン出力として出してくれますが、やってくれるのはそこまでで、最後のendブロック処理はしてくれません。

これは十分注意が必要な点で、自作関数内でbeginブロックで確保したリソースをprocessブロックで利用して、endブロックで解放する…という、いかにも書いてしまいそうなパターンは、実はNGなんですね。何も上のようにマニアックなことをしなくても、単に下流でSelect-Object -Firstを使うだけでアウトです。

じゃあ、リソースの取り回しはどうするのが良いの、って話もありますが、それはまたの機会にしましょう。

(1/5追記)あえとすさんの記事が参考になります。:パイプライン処理の後始末をしよう - 鷲ノ巣 ただ、この方法ではパイプライン下流でthrowされた場合はトラップできないぽいですね。コマンドレットクラスの場合はIDisposable実装で良さそうです。

ここからは私見ですが、StopUpstreamCommandsExceptionが後付けかつ非パブリックなところとか、パイプラインを合法的に脱出するステートメントが今に至るまで用意されていないところとか、パイプラインを何とかして途中で打ち切っても、endは実行されないところとかを見ていると、そもそもPowerShellではパイプライン処理の中断というのは、あまり想定してない操作なのかなぁ、という気がしてきています。

上記のような裏技を使って回避するのも一案ではあるとは思いますが、そもそも「パイプライン処理の中断はイレギュラー」と考えて、そういう処理は避けて、必要に応じて別のアプローチを取ることも考えた方がいいのかもしれません。

2012/12/01

今日から、PowerShell Advent Calendar 2012が始まりました。初日は私が担当させていただきます。お題は旬の話題、PowerShell 3.0の新機能!…ではなく、初心に返って、PowerShellの「関数」ってどう書くのがいいのかというお話をします。PowerShell 3.0どころか、大部分はPowerShell 1.0から変わっていない基本の話です。

これは今までずっと書きたかったネタですがなかなか書く暇がなくて放置してたものです。3.0の話はきっと他の皆さんが書いて下さるはず!私もまた順番が回ってきたら書こうと思います。

PowerShellの関数は従来言語とだいぶ違う

PowerShellを使いこなすようになってくると、他の言語を使う時と同じで、定型処理は関数として一つにまとめたくなってきます。ところが他の言語と同じような感覚で関数を書くと、どうもうまくいかないのです。

たとえば引数にフォルダパスとフォルダ名を指定すると、指定フォルダが存在すればFalseを返し、存在しなければ作成してTrueを返す関数を書いてみました。

function MakeDir($path,$name)
{
    $newDirPath = Join-Path $path $name
    if((Test-Path $newDirPath))
    {
        return $false
    }
    else
    {
        New-Item -ItemType Directory -Path $newDirPath 
        return $true
    }
}

実行は

MakeDir("C:\test","NewFolder")

と、メソッド風に呼び出すことはできないので、コマンドレット風に

MakeDir C:\test NewFolder

と呼び出せばいいんですが(まあ最初はここもつまづきポイントではありますが)、この実行結果は以下のようになります。

    ディレクトリ: C:\test

Mode                LastWriteTime     Length Name 
----                -------------     ------ ----
d----        2012/12/01      7:51            NewFolder
True

フォルダが作成されてTrueが返却されることを想定していたのに、なんか余計な出力が混じってしまっています。なんでしょうこれは?

実はPowerShell関数内で値が出力されると、returnキーワードがついてなくてもすべて呼び出し元に出力されるという仕様なのです。そしてPowerShellにおけるreturnキーワードの効果は「後続処理を打ち切って呼び出し元に戻る。ただしreturnの後に値が指定してあればそれを最後の値として戻す」となります。そのため、呼び出し元に返したくない出力が関数内にある場合は、すべて[void]にキャストしたり|Out-Nullとしてリダイレクトするなどして出力を破棄する必要があるのです。このMakeDir関数の場合はNew-Itemコマンドレットが作成したフォルダのFolderInfoオブジェクトを出力するので、これをNew-Item -ItemType Directory -Path $newDirPath | Out-Null のように破棄してやる必要があるわけです。

パイプラインの動作

先ほどの例を見ると、「いやいやなんでそんな訳のわからない仕様なんだよ、returnあるときだけ値返せよ」とお思いかと思います。しかしこれはPowerShellの特長の一つである、コマンドのパイプラインによる連携を行うための仕様なんです。

ここでコマンドを繋ぐパイプラインがどういう動作をしてるか、おさらいします。

Get-Process | where {$_.Handles -ge 500} | foreach {$_.Path}

これはハンドル数が500以上のプロセスのメインモジュールファイルのパスを取得するというコマンドで、別に何の変哲もありません。ところが、このコマンドがやっている処理を、次のように誤解してませんでしょうか?

@ 稼働中のすべてのプロセスの一覧を配列として取得する。
A @で取得した配列を走査して、Handlesプロパティの値を調べる。Handlesが500以上のオブジェクトだけ抽出した配列を生成する。
B Aで生成した配列を列挙して、{}内のスクリプトをそれぞれ実行する。

しかし、これは間違いです。

正しくは

@ 稼働中の1つのプロセスオブジェクトを取得して次のコマンドへ送る。
A そのプロセスのハンドル数が500以上なら、次のコマンドへ送る。そうでないなら@に戻る。
B そのプロセスに対して{}内のスクリプトを実行する。まだ未取得のプロセスが残っていれば@に戻る。

という動きをしています。つまり、パイプラインの手前で一旦すべての処理を終えてから、出力オブジェクトがまとめて配列という形で次のコマンドに送られるのではなく、オブジェクトがパイプラインの先頭から末尾に向けて1つずつ通過していき、それが先頭コマンドの出力オブジェクト数だけ繰り返される、という動作をしているのです。

これがPowerShellのパイプライン処理が、従来の処理系での関数と決定的に違うところで、パイプラインによって複数のコマンドが、あたかももとからあった単一のコマンドのように密に連携するわけです。

(この処理、.NETのLINQにちょっと似てると思う方もいらっしゃると思います。しかしLINQとは全然違うものです。なんせPowerShellはLINQより先に世に出てますし! しかし類似点も多いのでいずれ比較なんかを書きたいと思ってます)

パイプラインで連携可能な関数の書き方

さて、先ほどのパイプラインの話ではコマンドレットを連携させていました。しかしPowerShellにおいてはコマンドレットも関数も、それが.NETのクラスかPowerShellのスクリプトなのかの違いがあるだけで、基本は同じ「コマンド」です。なので、関数もコマンドレットと同様、適切な記述をおこなえば、パイプラインでコマンド同士を連携させることが可能です。

以下に、Get-Repeatという関数の例を挙げます。この関数は-Textパラメータに文字列を指定し、-Countパラメータに回数を指定すると、指定文字列を指定回数分連結した文字列を出力する、という何の変哲もない関数です。しかしパイプラインからの入力を受け付け、次のパイプラインへ出力することを想定した作りになっています。

function Get-Repeat
{
    param(
        [Parameter(ValueFromPipeline=$true,Mandatory=$true)]
        [string[]]
        $Text,
        
        [int]
        $Count=2
    )

    begin
    {
    }

    process
    {
        foreach($s in $Text)
        {
            $s * $count
        }
    }

    end
    {
    }
}

以下は実行例です。

PS> Get-Repeat -Text ab -Count 2
abab
PS> "ab" | Get-Repeat -Count 2
abab
PS> Get-Repeat -Text ab,cd -Count 2
abab
cdcd
PS> "ab","cd" | Get-Repeat -Count 2
abab
cdcd

このように、パラメータに値を指定してもパイプラインから入力しても、スカラー値(配列ではない単一のオブジェクト)でも配列でも、正しく処理されています。

この関数をポイントごとに見ていきましょう。

PowerShellの正式な関数はparam節、beginブロック、processブロック、endブロックに分かれます。param節にはパラメータを指定します。beginブロックにはパイプラインで連携した際、最初の1回だけ実行される初期化処理、endブロックには最後の1回だけ実行される後始末処理を記述します。beginとendは今回の例では内容を省略しています。processブロックには、パイプラインから入力された1つのオブジェクトに対してその都度実行される処理を記述します。

ちなみに、

コマンド@|コマンドA|コマンドB

とある場合、各コマンドにおけるbegin,process,endブロックは次のような順番で呼び出されます。

コマンド@begin→コマンドAbegin→コマンドBbegin→{コマンド@process→コマンドAprocess→コマンドBprocess→コマンド@process…}→コマンド@end→コマンドAend→コマンドBend

processブロックでの処理は、通常はパイプラインだけではなくパラメータからも値を入力できるようにしておきます。そのためにはparam節に記述するパラメータに「このパラメータはパイプラインから値を入力することもできる」を意味する[Parameter(ValueFromPipeline=$true)]という属性を指定します(この属性はPowerShell 2.0から利用可)。今回のパラメータには「このパラメータは必須である」を意味するMandatory=$trueもあわせて指定しています。

先述の通り、パイプラインから入力される場合は配列ではなくオブジェクトが単体で渡されるのですが、パラメータから入力される場合はスカラー値と配列値、どちらの可能性もあるため、[string[]] のようにパラメータの型を配列型にしておくことで、どちらを指定しても処理できるようにしています。

processブロックではパラメータ経由で配列値が渡された場合に、各要素に対して処理を行うためforeachループを設けています。ちなみにスカラー値が渡された場合もforeachは問題なく処理します。

processブロック内では、returnは記述しません。returnするとその時点で関数が終了してしまうので正しくすべての出力ができなくなってしまいます。

特にこの例の関数のように入力型と出力型が同一の場合は、processブロックでは1オブジェクトの入力に対して、1オブジェクトを出力するようにしておくと、他のコマンドと連携させやすくなります。ただしWhere-Objectコマンドレットのようにフィルタ処理を行う関数の場合は、条件によっては何も出力しないようにします(空の配列とか$nullを返すのではないことに注意)。もちろん入力オブジェクトから何らかの配列値を出力する場合もありえます。

最低限、これらのポイントを押さえて関数を記述すると、他のコマンドとパイプラインで連携しやすい、PowerShellらしい関数を書くことができると思います。

まとめ

PowerShellでは従来言語と同じ感覚で関数を書くと、うまくいかないことが多いです。もっとも単に処理をひとまとめにしたいというニーズだけならばそれでも問題ないのですが、関数同士を組み合わせたいときに問題が顕在化します。

パイプラインの真の動作を理解し、パイプラインの中に組み込んで動作させることを想定した関数を記述すると、他のコマンドレットあるいは自作関数と連携しやすくなり、PowerShellの真の力を解放することができると思います。

PowerShell Advent Calendar 2012の1日目にしてはえらい固いネタかもですが、基本をおさらいするのも大事ですよね。

さて、明日は@jsakamotoさんの番です。よろしくお願いします。


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