Leaky Abstraction とは?

1. ある日、連想配列の使い方をおぼえた:
   put(k,v); v = get(k);
2. 要素を入れていくうちに激遅くなった。
3. 「なんで?」
   • → 内部のハッシュ関数がヘボかった。
   • じつは、あんまり沢山ものを入れてはいけないらしい。
     「でも、そんなの聞いてないyo!」

Leaky Abstraction の定義

• Joel Spolsky が最初に言いだした (2002年)。
  "The Law of Leaky Abstractions"
• 扱いにくいものをうまくパッケージにしたつもり。
  でも実装の一部が漏れている (リーク)。
• 「舞台装置が見えちゃった」ようなもの。

Leaky Abstraction の例

• 「信頼できない IP層の機能を使って、信頼できる TCP の機能が作られている。」
  → すごい! でも遅い。
• 「SQLを使えば『欲しいもの』を書くだけで、どうやって計算するかは書かなくてよい」
  SELECT * FROM User, Group WHERE User.Gid = Group.Gid;
  → すごい! でも(時に)めちゃ遅い。

Leaky Abstraction の例

• 二次元配列 a[x,y] が使えるよ!
  → すごい! でも、この差はどうなのよ?
• 一般的に「抽象化」は、プログラマが ややこしい部分を考えなくていいようにしている。 だがそのこと自体がリークの原因である。

Leaky Abstraction はなぜ悪か

• Spolsky の法則:
  "有用な抽象化は、どれもかならずリークしている"
• これはプログラマが知らない間に予想外の事態を発生させる。
  • 速度の低下。
  • セキュリティ上のリスク。
  • ...
• どうやったら、このような見落としを防げるか?

研究テーマ

• 目的: "Leaky Abstractionとは何なのか" をきちんと言いたい。
• 定義: leak = diff(仕様, 実装)
  だがこれは正しくない、なぜなら…
  • 仕様 … 日本語
  • 実装 … プログラミング言語
• 実際には日本語でなく、 認識・メンタルモデルかもしれない。

Leaky Abstraction の定義

• 定義: leak = diff(仕様, describe(実装))
  
  • 仕様 … 日本語
    「put(k,v); v = get(k); を提供する」
  • 実装 … プログラミング言語
  • desc(実装) … 実装を日本語で説明したもの
    「put(k,v); v = get(k); をオープンハッシュ法で、 100要素分の配列を使って提供する」 (赤い部分がリーク)
• 「どれくらい重なっているか」が問題となる。

Leaky Abstraction の分類

• 資源のリーク:
  • やたら時間がかかる (time)
  • やたらメモリを消費する (space)
  基本的に Spolsky が提案しているのはこのタイプが多い (TCP, SQL, 2次元配列)。 「メモリリーク」の意味に近い。
• 仕様のリーク。

仕様のリークって?

つまり、仕様できちんと説明されていないもの。

1. 暗黙の条件 (が抜けている):
   • いつ使えるか: parseInt(s) … sが実際に数のとき。
   • いつ使えないか: 2**n, x/y

仕様のリーク・つづき

2. 言語の意味が狭義すぎる:
   • C++ における「文字列」 … "foo" は文字列ではない。
   • 「fopen はファイルを開く」
     • 「ファイル」 … OS が定義するファイル。
     • 「開く」 … OS の操作としての open。
   • 「KeyEventは、 コンポーネント中でキーストロークが起きたことを 表すイベントです」

仕様のリーク・つづき

3. loaded word あるいは表現を圧縮しすぎ
   • 「文字列を整数に変換します」
   • 「HTTP接続を開きます」
     「開く」 … DNS, TCPハンドシェイク, 証明書の受信, 署名の確認, HTTPリクエスト送信

つまるところ Leaky Abstraction とは

• リークの原因 = 不適切な省略あるいは要約
  チョーー主観的!! これでは研究にならないので、 なんとかして客観的なデータを集めたい。

作業計画

• 「Leaky Abstraction に関するケーススタディ」
  1. 著名なプログラムの API 説明を読む。
  2. リークの種類を判定する。
     • ソースコードがやっていることを実際に日本語で説明し、 仕様に書かれている日本語と比較する。
  3. リークが深刻なものに対しては、対策を提案する。
  4. Goto 1.

Leaky Abstraction 例 1

オーバーヘッドが小さい (人間が気にかけるレベル)

• 整数としての int
• 配列へのアクセスは定数時間でできる
• スタック
• Unicode の 1コードポイント = 1文字
• memcpy
• rand()
• 文字列処理にかかる時間は短い
• O() 記法 (定数が重要なことがある)

Leaky Abstraction 例 2

オーバーヘッドが中程度 (人間はときどき忘れることがある)

• 実数としての float
• 一定なプログラムの実行時間 (割り込みがある)
• 仮想メモリ (アクセス時間がかかる)
• fork()
• Generics
• ファイルシステム
• std::string
• マルチバイト文字の扱い
• C# closure (ref/out はキャプチャーされない)
• Java generics (type erasure がある)
• git (バイナリは危険)

Leaky Abstraction 例 3

オーバーヘッドが大きい (ほとんどの場合、人間は詳細を把握しようとしない)

• HTTPSは安全なHTTPである
• GC
• RPC
• ORM
• ネットワークファイルシステム
• VM, Docker
• setuid root
• Deep NN (初期値と実装方法によっては学習が収束しない)
• HTML5ならすべてのブラウザで動く