Elixir の GenServer でアクタープログラミングしてみよう

これは関数型まつり2026のプレゼン資料です。
https://fortee.jp/2026fp-matsuri/proposal/904cc5d9-b328-450e-8f60-5c3bf4200b51

Elixir（やその基になる Erlang）の計算実行の単位をプロセスといいます。このプロセスはBEAMと呼ばれる仮想マシン上で実行されます。Elixirで作ったシステム全体は、プロセスがメッセージを交換しあう形で動作します。これをアクターモデルと言います。
ユーザがプロセスプログラミングするのに、ElixirではGenServerという枠組みを用意してます。GenServerは大量のサービスをサーバで並行実行するのや、IoTでデバイスを抽象化してAPIを作るのに向いています。
GenServerプロセスは実行中にいろんな面白い形でいぢることが可能です。例えば実行中に実装を差し替えることができます。またマイグレーションと言って、今動いているBEAMから他のBEAMに移動することもできます。これは他の言語ではあまりみられない特徴で、応用の局面でElixirを実用性の高い言語にしています。
今回はまずElixirのGenServer入門をします。つぎに実際に手元のPCでマイグレーションするところをご覧に入れます。またIoTデバイスを用いてLチカなどの動作を一つのボードコンピュータから他のボードに飛ばすところをお見せします。
ElixirはErlang Clusterという通信基盤がデフォルトで用意されています。この他に最近はPub/Sub通信をするZenohが使えるようになってます。Zenohを用いて広域分散環境でプロセスのマイグレーションするところもお見せします。

Transcript

1. Elixir の GenServer で アクタープログラミングしてみよう 〜Pub/Sub使って広域分散環境でマイグレーションも出来るよ〜 ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12
2. 今日のお題 ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 • Elixir はどこがなにが嬉しいのか • 並行プログラミングのしあわせ • ライブプロセスマイグレーション 2
3. Acknowledgement • NICT ◦ • Government of Kochi Prefecture, Japan ◦ • Budget: The commissioned research (No.04001) by the National Institute of Information and Communications Technology, Japan. Budget: Research promotion projects for industry creation through industry-academia-government collaboration (2020) Softbank ◦ 広域分散実行基盤の実現に寄与する通信技術に関する共同研究 ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 3
4. きくゆた… について @kikuyuta ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 4
5. Elixir はこんな風 defmodule Fib do def onacci(0), do: 0 def onacci(1), do: 1 def onacci(n) do onacci(n-2)+onacci(n-1) end end ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 iex(1)> Fib.onacci(0) 0 iex(2)> Fib.onacci(1) 1 iex(3)> Fib.onacci(6) 8 5
6. パイプ使った例 defmodule Fib do def onacci(0), do: 0 def onacci(1), do: 1 def onacci(n) do onacci(n-2)+onacci(n-1) end def seq(n) do 0..n |> Enum.map(&onacci/1) |> Enum.each(&IO.puts/1) end end ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 iex(1)> Fib.seq(5) 0 1 1 2 3 5 :ok 6
7. パイプでこんな風にも書ける defmodule Fib do def onacci(0), do: 0 def onacci(1), do: 1 def onacci(n) do onacci(n-2) |> Kernel.+(onacci(n-1)) end end ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 h(g(f(x))) を x |> f |> g |> h と書ける 7
8. 関数型言語でモノを制御したくなる • Elixir なら関数型由来の嬉しさに加えて… I/O抽象化との親和性 ◦ Bit列パターンマッチ ◦ 並行プログラミング ◦ Let it Crash! 思想 ◦ ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 8
9. 関数型言語を産業で使おう ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 9
10. I/O 抽象化との親和性 • 全部 API プロセスでくるむ P1 アプリケーション ソフトウェア P2 でも関数型で状態をどうあつかうの? ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 P3 10
11. Erlang/OTP (1986〜, 1998〜) Ericsson のATM交換機に採用された (Wikipedia:en) • イミュータブルな変数 • パターンマッチ • アクターモデル • ◦ ◦ 軽量プロセスとメッセージパッシング スーパバイザ、プロセスツリー、Let it Crash Prolog ライクな文法 • BEAM VM ⇒ Elixir, Gleam • ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 11
12. Elixir (2012〜) José Valim • Erlang ベースでもっとプログラミングを楽しく… • ◦ 文法：Prolog 風 → Ruby 風 新機能：パイプ演算子、マクロ、Protocol、mix、hex… • プラットフォーム • ◦ ◦ ◦ Web開発用：Phoenix, Liveview IoT・組込み用：Nerves AI用：Nx, Axon, Bumblebee ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 12
13. Elixir ならではなのは何？ • たいがいの機能は他の言語でも実現できそう ◦ • 実際に実装するかどうかは別として… では Elixir がぶっ飛んでるのは… ◦ ◦ ◦ 並行プログラミング（これ自体は Erlang/OTP 由来） 特に GenServer によるプロセスプログラミング ▪ Erlang にもあるけど、Elixir のほうがいろいろと簡単 スーパバイザツリーと Let it Crash ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 13
14. GenServer とは • Elixir/Erlang でプロセスを使うための標準ラ イブラリ (behaviour) • サーバ・クライアント型サービスを作成 • スーパバイザツリーによる監視・再起動 • 状態変数あり • • • • • 初期化・動作開始 クライアントとの同期通信動作 クライアントとの非同期通信動作 プロセスからのメッセージ 終了 start or start_link stop handle_call GenServer handle_cast terminate Process state handle_info message other (or self) process ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 init call cast
15. GenServer で Stack を作る defmodule Stack do use GenServer def start_link(pname) do GenServer.start_link(__MODULE__, nil, name: pname) end def init(_arg) do {:ok, []} end def push(pname, ele) do GenServer.cast(pname, {:push, ele}) end def handle_cast({:push, ele}, state) do {:noreply, [ele, state]} end def pop(pname) do GenServer.call(pname, :pop) end def handle_call(:pop, _from, [ele|rest]) do {:reply, {:ok, ele}, rest} end end ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12
16. Stack プロセスの動作 iex(1)> Stack.start_link(:afo) {:ok, #PID<0.147.0>} iex(2)> Stack.push(:afo, 0) :ok iex(3)> Stack.push(:afo, 1) :ok iex(4)> Stack.pop(:afo) {:ok, 1} iex(5)> Stack.start_link(:bar) {:ok, #PID<0.148.0>} iex(6)> Stack.push(:bar, "hello") :ok iex(7)> Stack.pop(:bar) {:ok, "hello"} iex(8)> Stack.pop(:afo) {:ok, [0, []]} ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 push pop #PID<0.147.0> [1, 0] Iex (REPL) :afo #PID<0.148.0> pop push [“hello”] :bar
17. 異なる BEAM VM のプロセスでもお話できる #PID<0.1.0> ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 #PID<0.2.0>
18. どっかの BEAM VM に飛ばせる Store MEC ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 18
19. プロセスをマイグレーションする ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12
20. 状況が静的に落ち着いているなら良いのだが… Store MEC ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 MEC MEC 20
21. クライアントはどっかに行っちゃうかも… MEC ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 MEC 21
22. そして昨今は人工衛星にサーバが乗るとも聞くし… ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 22
23. サーバもどっかに行っちゃうかも… ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 23
24. ならば動いてるプロセスもどっかに行かせたい … MEC ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 MEC 24
25. プロセスマイグレーションへの動機 クライアント・サーバ間で最適なRTTを維持したい • 長時間いごくないしは永続的に動くプロセスを中断した くない • 設備のメンテナンスの影響を受けたくない • より強力なサーバに移動して実行したい • 電力供給状況の良いサーバに逃がしたい • ◦ 再生可能エネルギーでデータセンターの電源を賄ってる場合など ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 25
26. マイグレーションの考え方 計算エンティティA なるべく環境によらず通信可能に なにか事前準備をしておく なにか事前準備をしておく なにか計算する動作が始まる なるべく面倒くさくなく なるべく簡単に、速く、少なく … お仕事を続ける … 計算動作を止める 必要な情報を送り出す 渡せるものを多く 渡せないものを少なく ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 計算エンティティB 必要な情報を受け取る それに従って計算する動作を始める … お仕事を続ける … 26
27. 何をマイグレートするか GenServer! • 物理サーバそのもの ◦ • 仮想マシン/仮想OS ◦ • サーバ本体やホストOSは動かさない ERTS (Erlang Run Time System) ◦ • どうしてもやるとおっしゃるなら止めませんが… 仮想マシンやゲストOSは動かさない Elixir/Erlang プロセス（アクター） ◦ ERTS は動かさない ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 27
28. 広域ネットワークを使う上での問題 ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 28
29. Erlang Cluster の制約 Node • Node.connect で簡単にクラスタリ ングできるのではあるものの… • 完全グラフを作るのでスケールす るか疑わしい • TCP/UDP/IP 通信が透過的でないと ならない Node Node Node Node Node ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 Node Node 29
30. TCP/UDP/IP通信の透過性 • 典型的には NAPT がある ◦ ◦ IPv4アドレスの消費を押さえる グローバル側からの侵入を止める • CGN なんてのも導入されてる • 携帯網内がグローバル環境でない • TCP/UDP セッションをローカル からグローバル方向にしか張れな い ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 Router Router NAPT Node Node Node Node.connect() Node.connect() true false 30
31. IP通信の透過性を実現する手法 常に使えるとは限らない • 状況を維持し続けるのが大変 • Router Router Router NAPT Node NAPT Node VPN Tunneling ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 Router Node Node NAPT hole punching 31
32. そうだ Zenoh にしよう ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 32
33. Zenoh とは • Pub/Sub モデル ◦ ◦ ◦ • • Pub が発信したメッセージを Sub が受信 事前に共通の key (topic) を決めておく Zenoh: Pub/Sub、Queryable、Storage 非中央集権型 ◦ ◦ • https://zenoh.io/ 完全な分散型 MQTTのようなブローカが不要 key に構造を持たせられる ◦ UNIX ディレクトリ風 Open Source (Linux Foundation) ◦ https://github.com/eclipse-zenoh ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 33
34. Zenohex: Elixir 用の API ライブラリ https://hex.pm/packages/zenohex • https://github.com/biyooon-ex/zenohex • Elixir App Zenohex Rustler Zenoh TCP/UDP IP ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 Go App Rust App Python App C App C++ App Zenoh TCP/UDP IP Zenoh TCP/UDP IP Zenoh TCP/UDP IP Zenoh TCP/UDP IP Zenoh TCP/UDP IP 34
35. Zenoh で複雑さの軽減 Node Node Node Node Node Node Node Node Node Node Node Node Node ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 Node Node Node 35
36. Zenoh を用いたGenServerプロセスのマイグレーション Zenoh での通信手段を持っている use GenServer use GenServer GenServer でプロセスを起動 … プロセスがお仕事を続ける … プロセスを止める モジュールと状態を送り出す ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 モジュールと状態を受け取る モジュールをロードする GenServer でもらった状態でプロセス起動 … プロセスがお仕事を続ける … 36
37. GenServer プロセスのマイグレーション （その１） Zenoh で通信できるものと仮定 use GenServer use GenServer start/3 で GenServer 起動 :code.get_object_code/1 で module ゲット stop/3 で停止 terminate/3 の返り値 (reason, state) ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 :code.load_binary/3 で module をロード start/3 で state を初期値として起動 37
38. GenServer プロセスのマイグレーション （その２） Zenoh で通信できることを仮定 use GenServer use GenServer :code.get_object_code/1 to get module :code.load_binary/3 to load the module start/3 で GenServer プロセスを起動 start/3 で GenServer プロセスを起動 :sys.suspend/1 で直ちに停止しておく :sys.suspend/1 でサスペンドする :sys.get_state/2 で状態をゲット :sys.replace_state/2 で状態注入 :sys.resume/1 でプロセス再開 ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 38
39. GenServer マイグレーションのデモ Subscriber Elixir ubuntu ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 Elixir Apps Publisher Elixir MacOS 39
40. 左側 石狩 右側 バンクーバー ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 IPSJ PRO 2026-06-05 42
41. Subscribing the same key Subscriber Elixir ubuntu Subscriber Elixir ubuntu ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 Subscriber Elixir ubuntu Elixir Apps Publisher Elixir MacOS 43
42. 左側 石狩 中央 石狩 右 バンクーバー ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 IPSJ PRO 2026-06-05 44
43. ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 IPSJ PRO 2026-06-05 45
44. ご清聴 ありがとうございました ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 46
45. 参考文献・コード • Giocci についてより詳しくは… ◦ • ElixirConf Goatmire 2025 in Varberg, Sweden 小水力発電システムへの応用については… ◦ ◦ NervesConf EU 2025 in Varberg, Sweden CodeBeam America 2022 in Mountain View, US Giocci: https://github.com/biyooon-ex/giocci_platform • Zenohex: https://github.com/biyooon-ex/zenohex • ModBuzz: https://github.com/tombo-works/modbuzz • ◦ Yet another sophisticated MODBUS library on both TCP and RTU (RS485) ⾼知⼯科⼤学 菊池豊 関数型まつり 2026-07-12 47