Python にも multi-shot な継続が欲しい！ ～代数的エフェクトを添えて～

2026年8月29日(土)
オープンデベロッパーズカンファレンス(ODC)2026
ライトニングトーク資料
https://event.ospn.jp/odc2026/session/day1

Transcript

1. 継続が欲しい！ 代数的エフェクトを添えて はなまる ～ ～ Python にも multi-shot な
2. 自己紹介 名前 はなまる https://github.com/hnmr293 所属 株式会社YUTECT BIMの自動操作アプリケーションなどを開発しています！ 出身 島根県 経歴 2024年テック業界入り。AI基盤モデル開発（GENIAC2期）などに従事。
3. 今日話すこと aleff: Algebraic effects for Python こういうのができます https://github.com/hnmr293/aleff from aleff import effect, Effect, Resume, create_handler CPython に multi-shot な（限定）継続を実装しました # Define effects read: Effect[[], str] = effect("read") write: Effect[[str], int] = effect("write") それを使って、yield も await も無い、かつ継続を 複数回呼び出せる、本物の Algebraic Effects and Handlers を 実装しました CPython で継続をライブラリ実装する話をします 今日話さないこと ・継続とは何か ・Algebraic Effects and Handlers とは何か # Business logic using effects def run(): s = read() return write(s) # Handler implementations h = create_handler(read, write) @h.on(read) def _read(k: Resume[str, int]): return k("file contents") @h.on(write) def _write(k: Resume[int, int], contents: str): return k(len(contents)) result = h(run) print(result) # 13
4. CPython のスタックフレームの中身 フレームの実体は _PyInterpreterFrame で、スレッドローカルの PyThreadState が所有している。 フレームは data stack（_PyStackChunk の連結リスト）上に連結リストとして積まれる。 _PyStackChunk (16 KiB) PyThreadState low _PyInterpreterFrame main datastack_chunk f datastack_limit datastack_top g current_frame 空き def g(): ... f_code コードオブジェクト previous 呼び出し元フレーム (Generator 等で必要) f_globals ほか 名前空間・関数オブジェクト ★ frame_obj PyFrameObject（遅延生成） ★ prev_instr 実行位置（バイトコード） ★ stacktop 評価スタックの先頭 return_offset 戻り先の相対位置 ★ owner このフレームの持ち主 ★ localsplus[] ローカル＋セル＋評価スタック previous ★ def f(): g() def main(): f() CPython 3.12 owner = THREAD / GENERATOR / FRAME_OBJECT / CSTACK ★ コピー時に書き換えるメンバ（後述） high
5. スタックフレームの差し替え PyThreadState のリンク先を繋ぎ変えることでスタックフレームの入れ替えが可能 (greenlet)。 ただしあくまで python のフレーム。呼び出しが完了すると pop されて消えてしまい、使い回しできない。 PyThreadState datastack_chunk datastack_limit _PyStackChunk (16 KiB) datastack_top current_frame low before _PyStackChunk (16 KiB) low main h f 空き import greenlet as gl g gr = gl.greenlet(h) 空き def h(): ... def g(): gr.switch() def f(): g() greenlet が別に high 確保したスタック high ポインタを繋ぎ変える def main(): f() ※greenlet は python のフレームだけでなく C スタックも退避している
6. 限定継続の実装 スタックフレームを別ヒープに保存しておいて、継続が起動されたら そのスタックフレームを新しい _PyStackChunk 用にコピーすれば何回でも使える！ _PyStackChunk 新しい _PyStackChunk 別ヒープ low low f f f g 1. 保存 g 空き g 2. 復元 空き memcpy to malloc+memcpy datastack_top 何度でも使い回せる high 外側のフレームから順に積み直し、_PyInterpreterFrame のメンバを適当に修正 (previous を張り直したり) する。 eval は previous を entry_frame で上書きするため、1フレームずつ呼んで戻り値を外側へ渡していく。 ※ async や Generator は、現在の _PyInterpreterFrame を pop して別の構造体に保存する。フレームを別の場所に保存しておくという処理は 継続の実装に一部重複している。python の one-shot continuation やそれによる algebraic effects 実装でよく yield / yield from が使われるのは そういう事情がある。 を1フレームずつ呼ぶ （もろもろの事情により） 捕まえた時点のコピー high 3. 再開 _PyEval_EvalFrameDefaul t
7. memcpy のあとに直すもの アドレスに依存するメンバと命令ポインタ。間違えるとSEGV。パッチバージョン単位で変わるので注意。 _PyInterpreterFrame previous コピー後に書き換え コピー先のアドレスで張り直す CALL の次の命令へ進める（右図） stacktop 戻り値を push した位置へ frame_obj NULL（PyFrameObject は共有しない） localsplus[] f_globals ほか co_code CALL instr_ptr owner 命令ポインタをどこへ進めるか FRAME_OWNED_BY_THREAD 有効スロットを INCREF、残りは NULL borrowed を strong に昇格 3.12 は実行中フレームの stacktop が −1。有効スロットは co_nlocalsplus まで 3.14+ は stackpointer を持つので localsplus 基準で再計算 CACHE CACHE CACHE 保存時はここ next 復元後はここ 3.12 prev_instr は直前の命令 → += 4 - 1 3.13+ instr_ptr は次の命令 → += 4 CALL + CACHE ×3 = 4 codeunit。3.12 と 3.13 以降で指す位置が1命令ずれる 特殊化された CALL_PY_EXACT_ARGS などは deopt 表で素の CALL に戻して判定 CALL 以外（インライン dispatch 済み）なら命令ポインタは進めない 戻り値は stacktop を co_nlocalsplus に戻してから push する
8. 使用例：Algebraic Effects and Handlers aleff: CPython 向け代数的エフェクトライブラリ https://github.com/hnmr293/aleff ＜特徴＞ yield, await などのキーワード不要（普通の関数として書ける） choose = effect("choose") h = create_handler(choose) 継続を複数回呼び出せる（今日の内容） ジェネリックに型付けされたエフェクト、継続、ハンドラ @h.on(choose) def _(k, *values): return sum((k(v) for v in values), []) async 対応 dynamic-wind あり CPython 3.12, 3.13, 3.14, 3.14t 対応 (OS: Ubuntu/macOS/Windows) h(lambda: [ choose("A","B") + choose("C","D") ]) # ['AC', 'AD', 'BC', 'BD'] 依存性注入 amb 確率分布 ＜制約＞ 間に未知の C フレームが挟まっていると何が起こるか分からない （python 標準の関数は気合で対応済み） CPython のパッチバージョン違いで動かないことがあるかも 継続手続きがエスケープすると適切に動作しないので、 エスケープした継続を呼ぶと例外を出すようにしている 逆モード自動微分 ＜他言語の事情＞ ※Scheme, Flix など first-class の継続がある言語では エスケープした継続も適切に動作する。
9. 継続が欲しい！ 代数的エフェクトを添えて はなまる aleff: Algebraic effects for Python https://github.com/hnmr293/aleff ～ ～ Python にも multi-shot な