macOS GUI (objc / appkit)

2 つの組み込みパッケージで、何もインストールせずに rontolisp の REPL から本物の Cocoa ウィンドウを開けます。objc は JVM の Foreign Function API を通じて Objective-C ランタイムと AppKit をバインドし (JNI なし、同梱ネイティブライブラリなし、リフレクションなし)、appkit はその上に rontolisp で書かれた小さなウィジェット層です — ウィンドウ、ラベル、Lisp クロージャをアクションに持つボタン、色付きパネル、クリック、繰り返しタイマー、メニューバー項目。

macOS 専用。インタプリタと JVM クラスで動作。 両パッケージは java -jar rontolisp.jar、rontolisp ネイティブバイナリ (バインディングはリフレクションを必要としないためで、これが java: 連携にはできないことです)、そしてバインディングを内部に抱えた .class / .jar にコンパイルしたプログラムで動作します。どちらの WASM バックエンドにも foreign function API はないので、そうしたプログラムを .wasm にコンパイルすると Cannot compile: appkit:window ... エラーになります。Linux 上、またはネイティブアクセスを拒否する JVM (--illegal-native-access=deny) では、すべての objc: 関数が関数名で始まり理由を述べるメッセージの通常の error をシグナルします。

REPL からウィンドウを

CL-USER> (defvar *win* (appkit:window "counter" :width 420 :height 200))
CL-USER> (defvar *label* (appkit:label *win* "no clicks yet" :x 20 :y 120 :width 380))
CL-USER> (defvar *n* 0)
CL-USER> (appkit:button *win* "Click me" :x 20 :y 40
    :on-click (lambda ()
                (setq *n* (+ *n* 1))
                (appkit:set-text *label* (format nil "clicked ~a time(s)" *n*))))

ウィンドウが中央に前面表示され、ボタンをクリックするとクロージャが実行されてラベルが更新されます。その間も REPL はあなたのものです — ウィンドウはプロセスの最初のスレッド上にあり、入力を読むスレッドとは別です — し、ウィンドウを閉じても REPL は終了しません。examples/macos/counter.lisp は同じプログラムをスクリプトにしたもので、末尾の (appkit:wait *win*) がウィンドウが閉じられるまでブロックします。スクリプトのプロセスは最後のフォームが返ると終了するためです。

もっと大きなものも同じように Lisp で組み立てます。examples/browser/minesweeper/minesweeper-macos.lisp は Cocoa ウィンドウで完全なマインスイーパを遊べますし、examples/macos/life-macos.lisp はその中でライフゲームを走らせます。どちらも以下のウィジェットだけでできています。2 つが共有しているのはその上のボード、つまり両者がたまたま欲しがったクリック可能なタイルのグリッドを持つ小さな cocoa パッケージ examples/macos/cocoa.lisp です。これはボードゲームのポリシーであり、だからこそサンプルのままです。

examples/macos/listener.lisp は言語そのものをウィンドウに載せます。NSTextView のトランスクリプト、Return キーが Lisp のクロージャである編集可能な NSTextField、そして読み取った式への eval — 印字された出力も取り込み、エラーはプロセスを終わらせずに一行として表示されます。ウィンドウと評価器は同じイメージなので、そこに打ち込んだ式が次のウィンドウを開けます。

ウィンドウがまったくなくても構いません。appkit:status-item はシステムのメニューバーにタイトルを置き、appkit:menu は項目が Lisp のクロージャであるメニューをそこにぶら下げます。:dock nil を付けるとプロセスには Dock アイコンもアプリケーションスイッチャの項目もなくなります。これがメニューバープログラムの姿で、そのときの出口が appkit:quit です。引数なしの appkit:wait はそれが起きるまでブロックします。

CL-USER> (defvar *n* 0)
CL-USER> (defvar *item*
    (appkit:status-item "λ" :dock nil
                        :menu (appkit:menu
                               (list (list "Count" (lambda ()
                                                     (setq *n* (+ *n* 1))
                                                     (appkit:set-text *item*
                                                                      (format nil "λ ~a" *n*))))
                                     :separator
                                     (list "Quit" #'appkit:quit "q")))))

examples/macos/menubar.lisp はそこに時計を入れたものです。appkit:timer が 1 秒ごとにタイトルを書き替え、メニュー項目の 1 つはウィンドウを開きます。listener.lisp と同じ証明を、メニューバーから行うわけです。

座標系は AppKit のもので、原点はウィンドウの左下です。ラベルは与えられた矩形の中で垂直方向に中央寄せされ、それがタイルの中央に数字を置いてくれます。パネルはそのタイルそのもので、どちらもクリックに応えます:

CL-USER> (defvar *board* (appkit:window "tiles" :width 200 :height 200
                                 :background (appkit:color 26 29 38) :dark t))
CL-USER> (defvar *tile* (appkit:panel *board* :x 20 :y 20 :width 34 :height 34
                               :fill (appkit:color 104 116 146) :radius 7))
CL-USER> (defvar *digit* (appkit:label *board* "3" :x 20 :y 20 :width 34 :height 34
                                :size 19 :align :center :bold t))
CL-USER> (appkit:on-click *tile*
    (lambda (button) (appkit:set-color *tile* (appkit:color 230 233 241))))
#<objc RontoLispAppKitPanel>
CL-USER> (appkit:timer 1 (lambda () (appkit:set-text *digit* "4") nil))
#<objc __NSCFTimer>

すべてのウィジェットはただの Objective-C オブジェクトなので、この層にないものは objc:send 一つ分の距離にあります:

CL-USER> (objc:send *win* "setBackgroundColor:"
    (objc:send "NSColor" "colorWithRed:green:blue:alpha:" 0.9 0.95 1.0 1.0))
CL-USER> (objc:send *win* "frame")
(690.0 676.0 420.0 228.0)

objc パッケージ

objc は java とちょうど対になるもので、外部システムの名前を冠したパッケージに少数の汎用的な動詞があります。

CL-USER> (objc:send (objc:string "hello world") "length")
11
CL-USER> (objc:send (objc:send (objc:string "hello") "uppercaseString") "UTF8String")
"HELLO"
CL-USER> (objc:send (objc:string "hello world") "rangeOfString:" "world")
(6 5)
CL-USER> (objc:send "NSNumber" "numberWithDouble:" 2.5)
#<objc __NSCFNumber>

ランタイムは問い合わせられる対象

Objective-C が実行のその瞬間に決めることは、その瞬間に読み出せます。レシーバがある名前に 応えるか、実際のクラスは何か、メソッドがどんな型を宣言しているか、あるキーの下に何がある か。

CL-USER> (objc:send (objc:string "hi") "respondsToSelector:" "uppercaseString")
T
CL-USER> (objc:send (objc:send (objc:send (objc:string "hi") "class") "description") "UTF8String")
"NSTaggedPointerString"
CL-USER> (objc:send (objc:send (objc:string "hi") "methodSignatureForSelector:" "hasPrefix:") "methodReturnType")
"B"
CL-USER> (objc:send (objc:send (objc:string "hello") "valueForKey:" "length") "doubleValue")
5.0

2 行目はクラスクラスタを現行犯で捉えたものです。objc:string は NSString を求め、値に 応じて選ばれた非公開のサブクラスが返っています。examples/macos/objc-runtime.lisp は、この 側面のパッケージ全体を 1 つの実行可能なファイルにまとめたものです。文字列として持ち回り respondsToSelector: で守るセレクタ、辿るクラス階層、読み出すメソッド自身の型エンコーディ ング、キー値コーディングと文字列キーによるソート、containsObject: が呼び出す isEqual: が Lisp のクロージャである実行時定義クラス、そして NSNotificationCenter のオブザーバ。ウィン ドウは開きません。

境界は AppKit ではない

このマシン上のあらゆるフレームワークが Objective-C ランタイムを話します。プロセスにリンク されていないフレームワークもメッセージ 1 つ分の距離にあり、NSBundle がそれをマップして クラスを登録するので、次のフォームからはそのクラス名が解決します。

CL-USER> (objc:send (objc:send "NSBundle" "bundleWithPath:"
    (objc:string "/System/Library/Frameworks/NaturalLanguage.framework")) "load")
T
CL-USER> (objc:send (objc:send "NLLanguageRecognizer" "dominantLanguageForString:"
    (objc:string "これは日本語の文章です")) "UTF8String")
"ja"

ここでの依存管理はこれで全部です。マニフェストもクラスパスもダウンロードもありません。 examples/macos/system-frameworks.lisp はそうして開かれる面を 1 つの実行可能なファイルに したものです。Vision、NaturalLanguage、Core Image、そして音声合成 — どれも誰かが先に Lisp 向けにラップしたものではありません。中心にあるのは往復です。Lisp の文字列を Core Image が 画像に描き、それを Vision が読み戻し、機械が与えられたとおりに読んだかどうかを equal が 判定します。こちらもウィンドウを開かず、そして無音です。音声はスピーカーではなく AIFF ファイルに合成されるためです。

セレクタ自身のエンコーディングで型付け

objc:send はシグネチャを推測しません。Objective-C ランタイムはすべてのメソッドを完全に記述しており (method_getTypeEncoding は例えば initWithContentRect:styleMask:backing:defer: に対して @68@0:8{CGRect={CGPoint=dd}{CGSize=dd}}16Q48Q56B64 を返します)、各引数と結果はその宣言に従ってマーシャリングされます:

receiver が応答しないセレクタ、引数の個数違い、宣言型に合わない引数はクラッシュではなく error になります。performSelector... メッセージの答えは捨てられます (その型はターゲットメソッドのもので、バインディングからは見えません)。ブロック、共用体、ビットフィールドはこの第一段階の範囲外で、それらを取るセレクタは名前を挙げて拒否されます。

バイト列と :error 出力引数

汎用のメッセージ送信だけでは表現できないものが 2 つあります。メモリブロックと出力引数で すが、どちらも Cocoa ではありふれたものです。1 つ目を担うのが objc:data です。パックバッ ファ (任意ランクのパック float 配列、パックされた (unsigned-byte 8|16|32) ベクタ、文字列 の UTF-8) のバイト列を持つ NSMutableData を返します。並びは write-sequence が書くもの とまったく同じで、リトルエンディアンの行優先です。あとは [data bytes] が void * 引数の 求めるアドレスになり、[data mutableBytes] は呼び出し先に渡せる書き込み領域になり、 objc:bytes がブロックを読み戻します。

2 つ目は ...error: の慣習です。NSError ** の位置にキーワード :error を渡すと、バイン ディングがスロットを確保して渡し、呼び出しが失敗を報告しスロットが埋まっていたときには、 セレクタが返す素の nil の代わりに、そのエラーの内容でシグナルします。

CL-USER> (objc:bytes (objc:data (make-array 2 :element-type 'single-float :initial-contents '(1.0 2.0))))
#(0 0 128 63 0 0 0 64)
CL-USER> (handler-case
      (objc:send "NSJSONSerialization" "JSONObjectWithData:options:error:" (objc:data "nope") 0 :error)
    (error (e) (princ-to-string e)))
"objc:send: JSONObjectWithData:options:error:: The data couldn’t be read because it isn’t in the correct format. [NSCocoaErrorDomain 3840]"

この 2 つが GPU を射程に入れます。Metal はほぼ全面が Objective-C の API なので、objc:send だけで何も足さずに駆動できます。examples/macos/metal-triangle.lisp は WebGL の hello world を、examples/macos/metal-cube.lisp は陰影付きの回転する立方体を、 examples/macos/metal-robot-arm.lisp は自分で逆運動学を解いてクリックした先へ手を伸ばすロ ボットアームを描き、シェーダは Lisp の文字列から実行時にコンパイルされます (OpenGL は逆で、 射程外のままです。glClear などは素の C 関数であり、objc_msgSend は届きません)。

そこにマウスを運ぶのが objc:define-class です。描画面は実行時に定義した NSView のサブク ラスで、その mouseDown: / mouseDragged: / scrollWheel: は Lisp のクロージャ — ウィ ジェット層が NSBox にクリックを答えさせるのと同じ動詞です。

スレッド: すべてはメインスレッドで起きる

AppKit はプロセスの最初のスレッドのものであり、すべての objc:send は自分でそこへ移動します — 同期的に、なので値は呼び出し側に返ってきます。複数の send から成るウィジェットは objc:on-main で包むと移動を 1 回だけ払うことになり、appkit の関数はそうしています。すでにメインスレッド上で動いている関数 (ボタンのハンドラ) は send をインラインで実行するので、コールバックから自由に GUI を呼び戻せます。

最初の appkit: 呼び出しは、スレッド 0 を AppKit 自身のイベントループ (-[NSApplication run]。誰もブロックせずにそこで開始します) に渡します。ウィンドウがそもそもクリックに応答するのはこれによるもので、プロセスがフォーカスを取りアプリケーションスイッチャに現れるのもこのためです。開始するのは appkit 層であり、汎用バインディングである objc ではありません。したがって appkit: 関数を一度も呼ばないプログラムが生の objc:send だけで作ったウィンドウは、描画はされても何にも反応しません。ウィンドウは appkit:window で作ってください。

コールバックはインタプリタの グローバル な動的束縛で動きます — REPL スレッドでの special 変数の let 束縛はそこから見えません — し、ハンドルされなかったエラーはシグナルではなく objc: error in a callback: ... として表示されます。AppKit のイベントの上にシグナル先となる Lisp のフレームは存在しないためです。

実行時に定義するクラス

objc:define-class はメソッドが Lisp 関数であるクラスを登録します。各メソッドは最初に receiver、続いて自身の引数を受け取ります:

CL-USER> (defvar *target-class*
    (objc:define-class "MyTarget" "NSObject"
      (list (list "invoke:" (lambda (self sender)
                              (format t "clicked ~a~%" sender))))))
CL-USER> (defvar *target* (objc:send (objc:send *target-class* "alloc") "init"))
CL-USER> (objc:send button "setTarget:" *target*)
CL-USER> (objc:send button "setAction:" "invoke:")

メソッドの型は、スーパークラスがそのセレクタを宣言していればそこから、そうでなければ採用したプロトコルから取られ ((objc:define-class "Delegate" "NSObject" methods '("NSWindowDelegate")) は windowShouldClose: を BOOL として型付けします)、どちらにもなければ target/action の形 — 結果なし、コロンごとに 1 つのオブジェクト引数 — がデフォルトになります。メソッドが取れる形は閉じた集合です: 引数なし、オブジェクト引数 1 つまたは 2 つ、オブジェクト引数 1 つで BOOL・オブジェクト・整数のいずれかを返す。定義を再評価すると失敗せずクラスのメソッドが束縛し直されるので、REPL でハンドラを反復できます。

所有権

objc: の値はオブジェクトへの参照を 1 つ所有します — alloc / new / copy / mutableCopy / retain の結果からは引き継ぎ、それ以外は retain して — そして Lisp の値が回収されたときにメインスレッド上で解放します。つまり保持しているウィンドウや文字列は保持している限り有効で、手で解放するものはありません。唯一の規則: objc: で直接作るウィンドウには appkit:window がしているように (objc:send win "setReleasedWhenClosed:" nil) が必要です。さもないと閉じたときに Lisp の値がまだ持っている参照が解放されます。

ネイティブバイナリ

rontolisp バイナリはビルド時に登録された objc_msgSend の形の固定テーブルを提供します — appkit 層が送るすべての形に加え、AppKit と Foundation の中核クラスで最も多い 60 の形で、それらが宣言するメソッドの 10 のうち 9 に届きます。テーブルにないセレクタは追加すべきエントリをそのまま示してシグナルします:

objc:send: someRareSelector: the shape void(void*,void*,jshort) has no foreign-call stub
in this binary; register it under foreign.downcalls in reachability-metadata.json and rebuild

JVM は事前に何も登録せずどんな形でもバインドするので、バイナリを作る前にプログラムが何を送るかを知る場所は java -jar です。

JVM クラスへのコンパイル

同じプログラムは .class や .jar にコンパイルでき、素の java ランチャで動きます。ランチャはプロセスの最初のスレッドを自分でイベントループに留めます:

$ rontolisp examples/macos/counter.lisp -o Counter.class --class-name Counter
$ java Counter
$ rontolisp examples/macos/counter.lisp -o counter.jar
$ java -jar counter.jar

クラスはバインディング全体 (am.ik.objc、自身のパッケージにリネーム済み) と使用する appkit ウィジェットを抱えているので、java.lang.foreign を持つ JVM (コンパイラが動いたものか、それより新しいもの) 以外には何も必要ありません。素の .class を --enable-native-access=ALL-UNNAMED なしで実行すると JDK の restricted-method 警告が一度出ますが動作します。.jar はマニフェストでネイティブアクセスを有効にします。rontolisp バイナリもそうしたプログラムをコンパイルできます。.wasm 出力は拒否され (Cannot compile: appkit:window ...)、今後もそうです: そちら側には foreign function API も AppKit もありません。

制限

• macOS のみ: インタプリタ (java -jar、または rontolisp バイナリ) とコンパイル済み .class / .jar。.wasm は不可で、objc: / appkit: の参照は両 WASM バックエンドでコンパイルエラーです。
• アプリケーションバンドルのないプロセスには Dock アイコンもメニューバーもありません。Cmd-Q はなく、最後のウィンドウを閉じても終了しません — REPL がプロセスです。
• コールバックの形は上の閉じた集合です。構造体や整数の引数を持つデリゲートメソッド、ブロックを取るセレクタは、この段階にはない段を必要とします。
• Apple シリコン向け。Intel Mac では 2 レジスタより広い構造体は objc_msgSend_stret で返され、バインディングはそれを選びますが動作確認はしていません。