解説対象

本記事では、ROS2のlaunch機能を理解する上で避けて通れないlaunch引数（launch argument）とlaunch configulationの仕組みを解説します。初学者にはlaunch引数（launch argument）とlaunch configulationって何が違うの？という点が混乱しやすいですので、解説していきます

前提

ROS2 humble時の実装に基づいています。
launchファイルの記述は、python形式・xml形式・yaml形式の３形式のどれでも可能ですが、本記事はpython形式について解説しています。
- ※launchファイルは特段の理由ない限りpython形式で書くべきです。シンプルな構成であればどの形式でも記述可能ですが、複雑なことをする場合xml形式・yaml形式では行き詰まります。最初は良くてもプロジェクトの進展によって後から複雑なことをしたくなるのが常ですので、launchファイルは最初からpython形式で書き始めることを推奨します。

公式ドキュメント

情報がとても少ない

Tutorials
- 使用例としては参考になるが、概念はよくわからない

解説

launch configulationとは何か？

launch configulationとは、launchファイル内に定義するアクションから共有使用できる記憶領域です。launchファイルをxml形式やyaml形式で記載する場合、python形式で記載する場合と異なり「変数」がありませんが、launch configulationを用いることで変数のようにlaunchアクション間で値を受け渡しできるようになります。launchファイルをpython形式で記載する場合、「変数」のように使用できるもの（launchファイル実行の度に値が変わりうるもの）として、通常のpythonの変数とlaunch configulationの２つがあります。python変数を使用してもlaunchアクション間で値の受け渡しができますが、pythonの変数とlaunch configulationでは「変数」の性質が下記のように異なります。

python変数
- （substitutionクラス以外の）python変数は、その値がアクション読み込み時点で確定します
launch configulation
- launch configulationは、その値がアクション読み込み時点で確定せず、アクション実行時点で確定します
- この意味を理解するには、アクションは「読み込みフェーズ」と「実行フェーズ」の２段階のタイミングで処理される仕組みであることの理解が必要です

「読み込みフェーズ」と「実行フェーズ」については下記の記事を参照ください。

substitutionついては下記の記事を参照ください。

launch configulationはlaunchファイル内に定義するアクションから共有使用できる記憶領域ですが、その実体はLaunchContextクラスのプロパティlaunch_configurationsにあります。launch_configurationsは辞書型であり、キー名とペアで値を格納します。キー名はユーザが自由に指定可能ですが、下記のキー名は、launchシステム中で特定の意味を付与されているので自分で使用（SetLaunchConfigurationで設定）してはいけません

Nodeアクション・LifecycleNodeアクション・LoadComposableNodesアクションで読み出されるキー（ノードを生成するexecutableに設定値を渡す為に使用）
- launch_configurations['ros_namespace']
- launch_configurations['ros_remaps']
- launch_configurations['global_params']
ExecuteLocalアクションで読み出されるキー（仮想端末をエミュレートするか分岐する為に使用）
- launch_configurations['emulate_tty']

launch configulationの初期値

launch引数で与えたキー名と値がlaunch_configurationsに初期値として書き込まれます

launch configulationの変更手段（書込・削除等）

下記にlaunch_configulationsに書き込む為のアクションを列挙します。この中で最も汎用的なのがSetLaunchConfigurationアクションです。ros2 launchで与えたlaunch引数やIncludeLaunchDescriptionで与えたlaunch引数もこのアクションの実行によって処理されます

actionクラス名	機能	引数
`SetLaunchConfiguration`	`launch_configurations`中に指定のキー名で指定の値を書き込む	`name`:キー名,`value`:値
`DeclareLaunchArgument`		`name`:キー名（substitution使用不可）
`SetParameter`	`launch_configurations['global_params']`に指定のノードパラメータ定義(name,value)のタプルを追加する	`name`:ノードパラメータ名,`value`:ノードパラメータ値
`SetParametersFromFile`	`launch_configurations['global_params']`に指定のファイルパスを追加する	`filename`:ノードパラメータを記載したyamlファイルへのパス
`SetRemap`	`launch_configurations['ros_remaps']`にremap指定（src,dst）のタプルを追加する	`src`:remapの変更対象の値を指定,`dst`:remapの変更後の値を指定
`PushROSNamespace`	`launch_configurations['ros_namespace']`に指定のnamespace名を書き込む	`namespace`:namespace名
`UnsetLaunchConfiguration`	`launch_configurations`中の指定のキー名を削除する	`name`:キー名
`ResetLaunchConfigurations`	`launch_configurations`を空（もしくは指定の辞書）にリセットする	`launch_configurations`:キー名と値の辞書
`PushLaunchConfigurations`	新しいスコープを開始できる。以後`launch_configurations`の変更を行っても`PopLaunchConfigurations`アクションを実行したら変更前の状態（＝`PushLaunchConfigurations`アクションを実行したタイミング）の`launch_configurations`に戻る
`PopLaunchConfigurations`	現在のスコープを破棄し、`PushLaunchConfigurations`アクションを実行したタイミングの`launch_configurations`に戻る
`GroupAction`	`scoped`オプションがtrueの時、`PushLaunchConfigurations`が実行され新しいスコープが開始された上で指定のアクションが実行され、その後`PopLaunchConfigurations`が実行されて元のスコープに戻る	`actions`:新しいスコープで実行したいアクションのリスト

下記にlaunch_configulationsに書き込む処理を行うsubstitutionを列挙します

substitutionクラス名	機能	引数
`AnonName`	`launch_configurations`中にキー名（＝'anon'+指定名）で指定名を匿名化した文字列を書き込む	`name`:指定名

launch_configurationsへの書き込みにあたっては、キー名の衝突に注意が必要です

特にIncludeLaunchDescriptionアクションを使用して外部のlaunchファイルを読み込むようなlaunchファイルの場合、呼び出し元のlaunchファイルと呼び出し先のlaunchファイル間でlaunch_configurationsは（明示的にスコープを切らない限り）全て共有されます。
つまり、呼び出し先で使用するlaunch_configurationsのキー名を把握せずにincludeしてしまうと、呼び出し先で使用するlaunch_configurationsの値を意図せず渡してしまう（誤った値で・・・）ことや、呼び出し元で使用しているlaunch_configurationsの値が呼び出し先で意図せず書き換えられてしまうことが起こりえます

スコープ（launch configulationのキーの衝突を避ける仕組み）

キーの衝突を避ける為の方法として、「launch configurationのスコープを切る」方法があります。
GroupActionアクションでIncludeLaunchDescriptionアクションを包んで呼び出すと、その中で定義されるキー（呼び出し先のスコープで定義されるキー）の値を書き換えても、呼び出し元のスコープで定義される同名のキーへ影響を与えないようになります。

launch configulationの読み出し手段

launch_configurationsを読むには、substitutionの１つであるLaunchConfigurationクラス等を用います。またlaunch_configurationsの値に応じてアクションの起動可否を分岐することも可能であり、Nodeアクション・LifecycleNodeアクション・LoadComposableNodesアクション定義時のconditionオプションでLaunchConfigurationEqualsもしくはLaunchConfigurationNotEqualsを用いることでlaunch_configurations中の指定キーの値が指定値と等しいかでアクションの起動可否を分岐できます

下記にlaunch_configulationsに読む為のsubstitutionを列挙します

substitutionクラス名	機能	引数
`LaunchConfiguration`	`launch_configurations`中に指定のキー名の値を読み出す	`variable_name`:キー名
`Parameter`	指定の名前をキー名として`launch_configurations['global_params']`内を検索し見つけた値を返す。`launch_configurations['global_params']`にはノードパラメータ定義が格納されているので、ノードパラメータ名を指定してノードパラメータ値を得ることに相当する	`name`:ノードパラメータ名

launch引数（launch argument）とは何か？

launch引数（launch argument）は、launchファイルをros2 launchコマンドで実行したり他のlaunchファイルから読み込んだり（=IncludeLaunchDescriptionアクションを実行）する際に、外部からキー名・値のペアを与える為の仕組みです

launch引数の使用宣言

launch引数は使用するキー名を事前に宣言をしなくても使用することが可能ですが、DeclareLaunchArgumentアクションを用いる明示的に使用を宣言することもできます。明示的な使用宣言をすると下記が可能になります

launch引数での値指定の強制：launch_configurations中に指定のキー名で値が存在しない場合や指定の選択肢のいずれかの値でない場合に例外を発生させる
デフォルト値の設定：launch_configurations中に指定のキー名で値が存在しない場合（=launch引数でキー名が指定されていない場合等が該当）に指定キー名に指定値を設定する

暗黙的なlaunch引数の利用はlaunchファイルの使用方法が不明瞭になり混乱のもとですので、基本的には必ず引数はDeclareLaunchArgumentアクションを使用して宣言する方針がよいです

(参考)ソースの確認

結論だけ知りたい人は飛ばして「まとめ」へ

launch configulationを理解する

最初にlaunch configulationの実体であるLaunchContextクラスのプロパティlaunch_configurationsを見てみます。
- 注：型ヒントはkeyもvalueもstr型のdict型となっていますが、使用実態を見るとvalueはstr型とは限らずリストも格納されることがあります
- launch_configurationsはスタックによるスコープ管理の仕組みを備えており、_push_launch_configurations()により新しいスコープを開始し_pop_launch_configurations()により現在のスコープを抜けることができるようになっています。スコープ開始後にlaunch_configurationsに変化を与えても、スコープを抜けたときにスコープ開始時launch_configurationsの状態に戻すということが可能になっています

launch_context.py

launch_context.py

class LaunchContext:
    """Runtime context used by various launch entities when being visited or executed."""

    def __init__(
        self,
        *,
        argv: Optional[Iterable[Text]] = None,
        noninteractive: bool = False
    ) -> None:
        # 略
        self.__launch_configurations_stack = []  # type: List[Dict[Text, Text]]
        self.__launch_configurations = {}  # type: Dict[Text, Text]
        # 略

    # 略

    def _push_launch_configurations(self):
        self.__launch_configurations_stack.append(self.__launch_configurations.copy())

    def _pop_launch_configurations(self):
        if not self.__launch_configurations_stack:
            raise RuntimeError('launch_configurations stack unexpectedly empty')
        self.__launch_configurations = self.__launch_configurations_stack.pop()

    @property
    def launch_configurations(self) -> Dict[Text, Text]:
        """Getter for launch_configurations dictionary."""
        return self.__launch_configurations

`LaunchConfiguration`を理解する

launch引数の読み出しには、substitutionの１種であるLaunchConfigurationを使用します。perform()の実装を見てみるとわかりますが、やっていることは非常に単純で指定のkey名（variable_name）でlaunch configulationの値を読み出すだけです。
- key名のlaunch configulationがない場合、LaunchConfigurationの引数としてdefaultを与えて入ればその値が、与えていなければ例外が発生します

launch_configuration.py

launch_configuration.py

class LaunchConfiguration(Substitution):
    """Substitution that can access launch configuration variables."""

    def __init__(
        self,
        variable_name: SomeSubstitutionsType,
        *,
        default: Optional[Union[Any, Iterable[Any]]] = None
    ) -> None:
        """Create a LaunchConfiguration substitution."""
        super().__init__()

        from ..utilities import normalize_to_list_of_substitutions
        self.__variable_name = normalize_to_list_of_substitutions(variable_name)
        if default is None:
            self.__default = default
        else:
            # convert any items in default that are not a Substitution or str to a str
            str_normalized_default = []  # type: List[Union[Text, Substitution]]
            definitely_iterable_default = ((),)  # type: Iterable[Any]
            if isinstance(default, collections.abc.Iterable):
                definitely_iterable_default = default
            else:
                definitely_iterable_default = (default,)
            for item in definitely_iterable_default:
                if isinstance(item, (str, Substitution)):
                    str_normalized_default.append(item)
                else:
                    str_normalized_default.append(str(item))
            # use normalize_to_list_of_substitutions to convert str to TextSubstitution's too
            self.__default = \
                normalize_to_list_of_substitutions(
                    str_normalized_default)  # type: List[Substitution]

    # 略

    def perform(self, context: LaunchContext) -> Text:
        """
        Perform the substitution by retrieving the launch configuration, as a string.

        If the launch configuration is not found and a default has been set,
        the default will be returned, as a string.
        """
        from ..utilities import perform_substitutions
        expanded_variable_name = perform_substitutions(context, self.__variable_name)
        if expanded_variable_name not in context.launch_configurations:
            if self.__default is None:
                raise SubstitutionFailure(
                    "launch configuration '{}' does not exist".format(expanded_variable_name))
            else:
                return perform_substitutions(context, self.__default)
        return context.launch_configurations[expanded_variable_name]

`GroupAction`（launch configulationのスコープ制御）を理解する

「launch configurationsのスコープを切る」方法としてGroupActionアクションが用意されています。
GroupActionアクションのソースを見てみましょう。下記を順に実行することでスコープの分離を実現していることがわかります。（正確には、環境変数のスコープの分離も同時に実現していますが記載省略しています）
1. PushLaunchConfigurationsアクションの実行
  - 現在のlaunch configurationsを退避しておく（後で戻せるように）
2. 新スコープのlaunch configurationsを初期化
  - GroupActionアクションの引数forwardingがtrueの時
    - GroupActionアクション実行時点で存在していたlaunch configurationsは、1実行時点ですべてコピーされて新スコープ内で使える状態で始まります。
    - GroupActionアクションの引数launch_configurationsを指定していた場合は、その値がlaunch configurationsに上書きされます
  - GroupActionアクションの引数forwardingがfalseの時
    - ResetLaunchConfigurationsアクションを実行し、新スコープのlaunch configurationsが初期化されます。
    - 初期値は原則空ですが、GroupActionアクションの引数launch_configurationsを指定していた場合は、その値が初期値になります
3. 引数で指定したアクションのリストを実行
4. PopLaunchConfigurationsアクションの実行
  - 1で退避していおいたlaunch configurationsに戻します
  - 2~4の中でlaunch configurationsに加えた影響は外部に及びません
  - 注：なお、GroupActionアクションの引数scopedをfalseにすると上記のようなスコープを切る挙動をOFFにできますが、用途が思いつきません

group_action.py

group_action.py

class GroupAction(Action):
    # 略

    def __init__(
        self,
        actions: Iterable[Action],
        *,
        scoped: bool = True,
        forwarding: bool = True,
        launch_configurations: Optional[Dict[SomeSubstitutionsType, SomeSubstitutionsType]] = None,
        **left_over_kwargs
    ) -> None:
        """Create a GroupAction."""
        super().__init__(**left_over_kwargs)
        self.__actions = actions
        self.__scoped = scoped
        self.__forwarding = forwarding
        if launch_configurations is not None:
            self.__launch_configurations = launch_configurations
        else:
            self.__launch_configurations = {}
        self.__actions_to_return: Optional[List] = None

    # 略

    def get_sub_entities(self) -> List[LaunchDescriptionEntity]:
        """Return subentities."""
        if self.__actions_to_return is None:
            self.__actions_to_return = list(self.__actions)
            configuration_sets = [
                SetLaunchConfiguration(k, v) for k, v in self.__launch_configurations.items()
            ]
            if self.__scoped:
                if self.__forwarding:
                    self.__actions_to_return = [
                        PushLaunchConfigurations(),
                        PushEnvironment(),
                        *configuration_sets,
                        *self.__actions_to_return,
                        PopEnvironment(),
                        PopLaunchConfigurations()
                    ]
                else:
                    self.__actions_to_return = [
                        PushLaunchConfigurations(),
                        PushEnvironment(),
                        ResetEnvironment(),
                        ResetLaunchConfigurations(self.__launch_configurations),
                        *self.__actions_to_return,
                        PopEnvironment(),
                        PopLaunchConfigurations()
                    ]
            else:
                self.__actions_to_return = [
                    *configuration_sets,
                    *self.__actions_to_return
                ]
        return self.__actions_to_return

    def execute(self, context: LaunchContext) -> Optional[List[LaunchDescriptionEntity]]:
        """Execute the action."""
        return self.get_sub_entities()

GroupActionアクションは、ResetLaunchConfigurationsアクション・PushLaunchConfigurationsアクション及びPopLaunchConfigurationsアクションを用いることで「launch configurationsのスコープを切る」という動作を実現してくれています。これらのアクションを個別に呼ぶことで自前でスコープを切ることも可能ですが、launchファイルの可読性を高めるためには基本GroupActionアクションを使用すべきです

`DeclareLaunchArgument`アクションを理解する

次にDeclareLaunchArgumentアクションを見てみます。launch引数（launch argument）を使用するためにlaunchファイル中で定義するアクションです。
DeclareLaunchArgumentアクションのexecute()を確認すると、その実態は「指定のキー名（name）がlaunch_configulationsに存在することを強制する」という処理であることがわかります
- DeclareLaunchArgumentアクションを定義するときにデフォルト値（default_value）を与えなかった場合、DeclareLaunchArgumentアクション実行時にlaunch_configulationsに指定のキー名が存在しない場合には例外が発生するようになります
- DeclareLaunchArgumentアクションを定義するときにデフォルト値（default_value）を与えた場合、DeclareLaunchArgumentアクション実行時にlaunch_configulationsに指定のキー名が存在しない場合には、そのデフォルト値がlaunch_configulationsに設定されます

どうやらlaunch引数を使用したいだけならDeclareLaunchArgumentアクションを使用せずとも任意のkey名の引数を暗黙的に使用できるようです。

declare_launch_argument.py

class DeclareLaunchArgument(Action):
    # 略
    def __init__(
        self,
        name: Text,
        *,
        default_value: Optional[SomeSubstitutionsType] = None,
        description: Optional[Text] = None,
        choices: Iterable[Text] = None,
        **kwargs
    ) -> None:
        """Create a DeclareLaunchArgument action."""
        super().__init__(**kwargs)
        self.__name = name
        self.__logger = launch.logging.get_logger(__name__)
        if default_value is None:
            self.__default_value = default_value
        else:
            self.__default_value = normalize_to_list_of_substitutions(default_value)
        if choices is not None:
            if len(choices) == 0:
                self.__logger.error(
                    'Provided choices arg is empty. Use None to ignore the choice list.')
                raise RuntimeError(
                    'Provided choices arg is empty. Use None to ignore the choice list.')

            # Check if a non substitution default value is provided and is a valid choice
            if default_value is not None and not isinstance(default_value, (Substitution, list)):
                if default_value not in choices:
                    self.__logger.error(
                        'Provided default_value "{}" is not in provided choices "{}".'.format(
                            default_value, choices)
                    )
                    raise RuntimeError(
                        'Provided default_value "{}" is not in provided choices "{}".'.format(
                            default_value, choices))

        if description is None:
            if choices is None:
                self.__description = 'no description given'
            else:
                self.__description = 'One of: ' + str(choices)
        else:
            self.__description = description
            if choices is not None:
                if not self.__description.endswith('.'):
                    self.__description += '.'
                self.__description += ' Valid choices are: ' + str(choices)

        self.__choices = choices

        # This is used later to determine if this launch argument will be
        # conditionally visited.
        # Its value will be read and set at different times and so the value
        # may change depending at different times based on the context.
        self._conditionally_included = False

    # 略

    def execute(self, context: LaunchContext):
        """Execute the action."""
        if self.name not in context.launch_configurations:
            if self.default_value is None:
                # Argument not already set and no default value given, error.
                self.__logger.error(
                    'Required launch argument "{}" (description: "{}") was not provided'
                    .format(self.name, self.description)
                )
                raise RuntimeError(
                    'Required launch argument "{}" was not provided.'.format(self.name))
            context.launch_configurations[self.name] = \
                perform_substitutions(context, self.default_value)

        if self.__choices is not None:
            value = context.launch_configurations[self.name]
            if value not in self.__choices:
                error_msg = ('Argument "{}" provided value "{}" is not valid. Valid options '
                             'are: {}'.format(self.name, value, self.__choices))
                self.__logger.error(error_msg)
                raise RuntimeError(error_msg)

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