[論文レビュー] Plots.jl -- a user extendable plotting API for the julia programming language

Simon Christ, Daniel Schwabeneder+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Advanced Computational Techniques and Applications被引用数 8

ひとこと要約

Plots.jl は、レシピシステムを介してプロット仕様とレンダリングバックエンドを分離することで、Julia 言語用の統合的でユーザーが拡張可能なプロット API を導入する。これにより、ユーザーはプラットフォームに依存しないプロットコードを記述し、バックエンドをスムーズに切り替えることができる。また、パッケージ開発者は、パッケージのロード時間を長くせずに、微分方程式の解や系統発生樹などのカスタム型の可視化サポートを拡張できる。

ABSTRACT

There are many excellent plotting libraries. Each excels at a specific use case: one is particularly suited for creating printable 2D figures for publication, another for generating interactive 3D graphics, while a third may have excellent LATEX integration or be ideal for creating dashboards on the web. The aim of Plots.jl is to enable the user to use the same syntax to interact with a range of different plotting libraries, making it possible to change the library that does the actual plotting (the backend) without needing to touch the code that creates the content – and without having to learn multiple application programming interfaces (API). This is achieved by separating the specification of the plot from the implementation of the graphical backend. This plot specification is extendable by a recipe system that allows package authors and users to create new types of plots, as well as to specify how to plot any type of object (e.g. a statistical model, a map, a phylogenetic tree or the solution to a system of differential equations) without depending on the Plots.jl package. This design supports a modular ecosystem structure for plotting and yields a high code reuse potential across the entire Julia package ecosystem. Plots.jl is publicly available at https://github.com/JuliaPlots/Plots.jl.

研究の動機と目的

• プロットの『初回プロットまでの時間』の遅延を低減するため、プロットロジックとレンダリングバックエンドを分離すること。
• パッケージ開発者が、パッケージのロード時間を増加させることなく、独自の型の可視化サポートを提供できること。
• 2D や 3D、Web、LaTeX 出力など多様なプロットライブラリへの一貫した API を統合すること。
• 新規のプロットタイプやバックエンドを独立して追加できるモジュラーかつ合成可能なエコシステムをサポートすること。

提案手法

• 入力の型に応じて適切なバックエンドにプロット呼び出しをルーティングするため、Julia の多重ディスpatch を活用する。
• 任意のカスタム型（例：ODEの解、地図、木構造）をキーワード引数と seriestype を用いてレンダリングする方法を定義できる「レシピ」システムを導入する。
• プロット仕様（`plot` 関数を介して）とレンダリング（PGFPlotsX や GR などのバックエンド固有のバックエンドを介して）を分離する。
• RecipesBase.jl の軽量な依存関係を用いて、レシピを定義し、パッケージのロード時に Plots.jl の完全な依存関係を必要としない。
• キーワード引数による階層的属性制御（プロット、サブプロット、軸、シリーズ）をサポートし、細かくカスタマイズ可能な設定を可能にする。
• 単一の関数呼び出し（例：`pgfplotsx()`）でバックエンドを切り替えられるようにし、ユーザーがプロットコードを変更せずにレンダリング出力を変更できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パフォーマンスと拡張性を維持しつつ、バックエンドの違いを抽象化する統合的プロット API を Julia に構築できるか？
• RQ2 パッケージ開発者が、パッケージのロード時間を増加させることなく、独自の型の可視化サポートを提供できるか？
• RQ3 レシピベースのシステムは、モジュラーなエコシステム内で複数のプロットバックエンド間の相互運用性をどの程度実現できるか？
• RQ4 単一の API 構文が、出版用の 2D 図からインタラクティブな 3D グラフィックス、Web ダッシュボードまで多様なユースケースをカバーできるか？
• RQ5 レシピシステムは、Julia パッケージエコシステム全体で高いコード再利用性と拡張性をどのように実現できるか？

主な発見

• Plots.jl は広範な採用を獲得し、2019 年および 2020 年の Julia 言語調査でコミュニティが最も好きな Julia パッケージとして選ばれ、47% のユーザーがお気に入りに挙げた。
• レシピシステムにより、パッケージ開発者は RecipesBase.jl のみを用いて、新しい型（例：ODEの解、統計モデル）の可視化を最小限の依存関係で定義できる。
• Julia レジストリには現在 300 以上のパッケージが Plots.jl のレシピを含んでおり、エコシステム統合と再利用可能性の高さが裏付けられている。
• 1 日あたり 500～2000 回のダウンロードが継続しており、科学的計算、教育、出版ワークフローでの使用が安定していることが示されている。
• 仕様とバックエンドの分離により、ユーザーのコードを変更せずにバックエンドをスムーズに切り替えられる（例：LaTeX 出力用の PGFPlotsX、インタラクティブプロット用の GR）。
• レシピシステムは、Makie.jl などの他の Julia プロットライブラリでも類似実装を生み出し、そのアーキテクチャ的影響が確認された。