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ROS2を深く理解する：ROSノード編５　コンテキスト

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解説対象

本記事では、ROSノードを理解する上で重要なコンテキストの概念を解説します。ROS2では、ROSノードを生成するexecutableを実装するときに必ずrclcpp::init()を呼ぶようにしていると思います（意味がわからなくても決まりとして実行しているはず）。この関数がコンテキストを初期化している関数なのですが、このコンテキストとは何かを本記事では解説します。

目標

本記事の目標は、ros2 nodeコマンドでROSノードを起動するときやlaunchのNodeアクションでROSノードを起動するときに指定するコマンドラインROS引数が、どのような仕組みでROSノードに影響を与えるのかを理解することです。

前提

  • ROS2 humble時の実装に基づいています。
  • c++側の実装（rclcppのnode.cpp）に基づいています。
  • ROSノードには、ライフサイクルを持たないROSノード（rclcpp::Node）とライフサイクルを持つROSノード（rclcpp_lifecycle::LifecycleNode）の２種類がありますが、コンテキストの扱いに関しては違いはありません。

公式ドキュメント

TBD

解説

グローバルデフォルトコンテキストとは何か？

グローバルデフォルトコンテキストとは、プロセス内でただ１つ存在するコンテキスト（DefaultContextクラスのインスタンス）で、プロセス中で共有される）であり、グローバルROS引数を保持するのが主たる役割です。コンテキストとは、ROSノードを生成する時に参照される情報の塊であり、ROS引数を内部に保持します。このコンテキストとして通常はexecutableから起動される全ROSノード共通でグローバルデフォルトコンテキストが使用されるようになっています。

  • グローバルデフォルトコンテキストは、rclcpp::init()実行時に値が設定されます
  • グローバルデフォルトコンテキストが保持するグローバルROS引数は、グローバルデフォルトコンテキストを参照する全ROSノードで使用されます。通常はexecutableから起動する全ROSノードがグローバルデフォルトコンテキストを参照する為、全ROSノードが同じグローバルROS引数を用いることになります。

グローバルROS引数はコマンドラインROS引数（ros2 nodeコマンドでexecutableを起動する時の引数として、--ros-argsと記載した後に指定する所定のオプション）から生成され、グローバルデフォルトコンテキストのフィールドglobal_argumentsに格納されます。ROS2では、このグローバルROS引数が実行時のROSノードの初期化において重要な働きをします。

グローバルROS引数が保持する情報

  • コマンドラインROS引数の指定は下記が存在し、これらの指定値をグローバルROS引数は保持します
    • --param：ノードパラメータのキーバリューを指定する
    • --params-file：ノードパラメータを記載したファイルへのパスを指定する
    • --remap：remapルールを指定する
    • --enclave：セキュリティ保護機能であるenclaveを用いる為のパスを指定する
    • --log-level：loggingするレベルを指定する
    • --log-config-file：loggingの設定ファイルへのパスを指定する
    • --enable-xxx or --disable-xxx：ログ等のON/OFFを指定する

Nodeアクションが記述されたlaunchファイルを実行することでもROSノードを生成するexecutableを実行できます。この時も、Nodeアクションに指定したオプションがグローバルROS引数として指定されてexecutableが実行されます。

（参考）ソースの確認

グローバルデフォルトコンテキストにかかわる処理は、

  1. グローバルデフォルトコンテキストの初期化
  2. ROSノード生成時のグローバルデフォルトコンテキストの参照

の２段階を理解する必要があります。以下で順に解説します。

グローバルデフォルトコンテキストの初期化を理解する

ROSノードを生成するexecutableを実装するときに必ず記載するrclcpp::init()の実装を見てみます。グローバルデフォルトコンテキストを取得して、そのメソッドinit()にコマンドライン引数argc,argvを渡す処理をしています。

utilities.cpp

void
init(
  int argc,
  char const * const * argv,
  const InitOptions & init_options,
  SignalHandlerOptions signal_handler_options)
{
  using rclcpp::contexts::get_global_default_context;
  get_global_default_context()->init(argc, argv, init_options);
  // Install the signal handlers.
  install_signal_handlers(signal_handler_options);
}

get_global_default_context()の実装を見てみると、グローバルデフォルトコンテキストがプロセス内でただ１つ存在するコンテキスト（DefaultContextクラスのインスタンス）で、プロセス中で共有される）であることがわかります。

default_context.cpp

DefaultContext::SharedPtr
rclcpp::contexts::get_global_default_context()
{
  static DefaultContext::SharedPtr default_context = DefaultContext::make_shared();
  return default_context;
}

DefaultContextクラスのinit()メソッドは、継承元クラスのContextクラスで定義されています。Context::init()メソッド中ではさらにコマンドライン引数argc,argvを渡しrcl_init()関数を呼んでrcl_context_t構造体を初期化した上でその結果をrcl_context_フィールドに保持しています。

context.cpp

void
Context::init(
  int argc,
  char const * const * argv,
  const rclcpp::InitOptions & init_options)
{
  std::lock_guard<std::recursive_mutex> init_lock(init_mutex_);
  if (this->is_valid()) {
    throw rclcpp::ContextAlreadyInitialized();
  }
  this->clean_up();
  rcl_context_t * context = new rcl_context_t;
  if (!context) {
    throw std::runtime_error("failed to allocate memory for rcl context");
  }
  *context = rcl_get_zero_initialized_context();
  rcl_ret_t ret = rcl_init(argc, argv, init_options.get_rcl_init_options(), context);
  if (RCL_RET_OK != ret) {
    delete context;
    rclcpp::exceptions::throw_from_rcl_error(ret, "failed to initialize rcl");
  }
  rcl_context_.reset(context, __delete_context);

  if (init_options.auto_initialize_logging()) {
    logging_mutex_ = get_global_logging_mutex();
    std::lock_guard<std::recursive_mutex> guard(*logging_mutex_);
    size_t & count = get_logging_reference_count();
    if (0u == count) {
      ret = rcl_logging_configure_with_output_handler(
        &rcl_context_->global_arguments,
        rcl_init_options_get_allocator(init_options.get_rcl_init_options()),
        rclcpp_logging_output_handler);
      if (RCL_RET_OK != ret) {
        rcl_context_.reset();
        rclcpp::exceptions::throw_from_rcl_error(ret, "failed to configure logging");
      }
    } else {
      RCLCPP_WARN(
        rclcpp::get_logger("rclcpp"),
        "logging was initialized more than once");
    }
    ++count;
  }

  try {
    std::vector<std::string> unparsed_ros_arguments = detail::get_unparsed_ros_arguments(
      argc, argv, &(rcl_context_->global_arguments), rcl_get_default_allocator());
    if (!unparsed_ros_arguments.empty()) {
      throw exceptions::UnknownROSArgsError(std::move(unparsed_ros_arguments));
    }

    init_options_ = init_options;

    weak_contexts_ = get_weak_contexts();
    weak_contexts_->add_context(this->shared_from_this());
  } catch (const std::exception & e) {
    ret = rcl_shutdown(rcl_context_.get());
    rcl_context_.reset();
    if (RCL_RET_OK != ret) {
      std::ostringstream oss;
      oss << "While handling: " << e.what() << std::endl <<
        "    another exception was thrown";
      rclcpp::exceptions::throw_from_rcl_error(ret, oss.str());
    }
    throw;
  }
}

rcl_init()の処理は量がありますが、コマンドライン引数に関した処理は下記の抜粋箇所です。rcl_parse_arguments()関数を呼びコマンドライン引数を解析して得たグローバルROS引数をcontext->global_argumentsに格納しています。

rcl_ret_t
rcl_init(
  int argc,
  char const * const * argv,
  const rcl_init_options_t * options,
  rcl_context_t * context)
{

  // 略

  // Zero initialize global arguments.
  context->global_arguments = rcl_get_zero_initialized_arguments();

  // 略

  // Parse the ROS specific arguments.
  ret = rcl_parse_arguments(argc, argv, allocator, &context->global_arguments);
  if (RCL_RET_OK != ret) {
    fail_ret = ret;
    RCUTILS_LOG_ERROR_NAMED(ROS_PACKAGE_NAME, "Failed to parse global arguments");
    goto fail;
  }

  // 略

rcl_parse_arguments()の中身は省略しますが、コマンドライン引数中に--ros-argsを見つけた場合にそれ以降をグローバルROS引数とみなし取り出す処理をしています。

ROSノード生成時のコンテキストの参照を理解する

Nodeのconstructorを呼ぶのはrclcpp::init()を呼んだ後とするのがROS2の決まりですが、それはNodeのconstructorの処理中でグローバルデフォルトコンテキストを参照しているからです。

まず、ROS2のNodeクラスのconstructor定義をみてみます。
引数options（ノードオプションと呼ぶ）は特に指定しない場合に、デフォルト値(NodeOptions())が使用されることがわかります。

node.hpp

 RCLCPP_PUBLIC
  explicit Node(
    const std::string & node_name,
    const NodeOptions & options = NodeOptions());

  RCLCPP_PUBLIC
  explicit Node(
    const std::string & node_name,
    const std::string & namespace_,
    const NodeOptions & options = NodeOptions());

NodeOptionsのデフォルトでは、フィールドcontext_がrclcpp::contexts::get_global_default_context()で初期化されており、グローバルデフォルトコンテキストが設定されていることがわかります。

node_options.hpp

class NodeOptions
{

//略

private:
  rclcpp::Context::SharedPtr context_ {
    rclcpp::contexts::get_global_default_context()};

以上で各Nodeは、フィールドcontext_を通してグローバルROS引数にcontext_->global_argumentsでアクセスできる仕組みになっていることがわかりました。

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