LXF83:ROOT

Версия 18:21, 10 марта 2008

Продолжая традиции: ROOT

ЧАСТЬ 3 Данные мало получить – надо ещё понять, а есть ли от них польза. Евгений Балдин представляет вашему вниманию «новинку» среди приложений для анализа данных.

Даже если данных много – их надо как-то проанализировать. Это может сделать только человек. Компьютер в этом деле только помощник. Выбор инструмента очень важен. ROOT – хороший инструмент. У него был достойный предок и он мог бы быть гораздо лучше. Но здесь и сейчас надо анализировать данные, фиксируя недостатки, дабы исправить их в будущем. Это возможно, потому что ROOT – это свободный продукт.

Примерно через десять лет после возникновения команде PAW (Physics Analysis Workstation) стало скучно, и ее лидер PAW Рене Брюн (Ren Brun) сотоварищи начал новый проект ROOT – An Object Oriented Data Analysis Framework1.

Компьютеры стали много мощнее, но и поток данных увеличился. ROOT стал разрабатываться в рамках эксперимента NA49, где поток данных за один заход мог превышает 10 Тб2.

С начала 2006 года ROOT (http://root.cern.ch/) стал выпускаться под лицензией GNU, и, возможно, скоро попадёт во все основные дис трибутивы GNU/Linux.

Сравнение с PAW

PAW является предком ROOT, если уж не в смысле кода, то уж в смысле реализации идей точно. Поэтому полезно понять, чем эти пакеты отли- чаются и в чём совпадают. Сравнительная таблица не претендует на фундаментальность, а просто отражает личные пристрастия автора. Почему PAW? Если в вашем проекте PAW уже используется, особых причин для смены инструмента нет. Для стандартных операций анализа ROOT использовать значительно сложнее, чем PAW. Это плата за попыт- ку объять необъятное.

Почему ROOT?3 С++ популярнее FORTRAN и KUIP. С++ привычнее и с его помощью проще решать задачи, которые являются вспомо- гательными к анализу – для всего используется один инструмент. ROOT активно поддерживается и развивается. У ROOT есть довольно мощное сообщество. На сайте http://root.cern.ch можно найти ответ почти на все вопросы, касающиеся пакета, в RootTalk (там же) можно задать вопрос любой сложности, на который вам с очень большой вероятностью ответят.

Запускаем ROOT

Так как ROOT получил лицензию LGPL совсем недавно, то, скорее всего, в вашем настольном дистрибутиве его нет. Поэтому запуск придётся отложить «на потом» после сборки и установки. Брать исходные тексты лучше всего с основного сайта: http://root. cern.ch. После распаковки дерева пакетов следует внимательно изучить инструкцию README/INSTALL. Сборка стандартная: > ./configure --prefix=/usr/local ; make ; make install make install необходимо делать от имени root. Можно попробовать собрать rpm- или deb-пакет. Собрать deb-пакет под Debian 3.1 (Sarge) без дополнительных телодвижений не удаёт- ся, так как отсутствует пакет, на который указывают зависимости. По- видимому, разработка ведётся для тестовой или нестабильной ветки дистрибутива. После установки перед запуском необходимо установить перемен- ные окружения. Для bash это будет выглядеть примерно так: > export ROOTSYS=/usr/local/ > export PATH=$PATH:$ROOTSYS/bin > export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$ROOTSYS/lib/root Установка LD_LIBRARY_PATH необходима из-за того, что почти весь функционал ROOT вынесен в разделяемые библиотеки, которые подгружаются во время работы программы. Аналогично можно офор- мить и свою библиотеку, расширив, таким образом, возможности ROOT. Всё. Теперь открываем терминал и запускаем ROOT: > root

• *
• W E L C O M E to R O O T *
• *
• Version 5.11/02 19 April 2006 *
• *
• You are welcome to visit our Web site *
• http://root.cern.ch *
• *

FreeType Engine v2.1.9 used to render TrueType fonts. Compiled on 19 May 2006 for linux with thread support. CINT/ROOT C/C++ Interpreter version 5.16.11, April 14, 2006 Type ? for help. Commands must be C++ statements. Enclose multiple statements between { }. root [0] Получив приглашение, можно приступать к работе. Сказать “Hello World” из ROOT можно следующим образом: root [0] cout << “Hello World” << endl; Hello World При запуске ROOT считывается файл настроек .rootrc сначала в текущей директории, а, если здесь его нет, то в домашней; затем берёт- ся системный файл /etc/root/system.rootrc. От версии к версии эта последовательность может меняться4. По умолчанию есть ещё три файла, которые могут управлять пове- дением программы: • rootlogon.C – выполняется при запуске, • rootalias.C – загружается при запуске, но не выполняется, • rootlogoff.C – выполняется при завершении сеанса. ROOT можно запускать и не в интерактивном режиме. Для этого при запуске следует указать опцию -b. Полный список поддерживаемых опций можно получить при указании ключа -h. Выйти из ROOT можно с помощью команды .q. Если в процессе ана- лиза удалось зациклить программу, то желание выйти можно усилить с помощью команд .qqq, .qqqqq или .qqqqqqq5. ^C так же может помочь в непредвиденных ситуациях.

«Командная логика»

В качестве командного процессора используется интерпретатор С++ CINT. Это означает, что интерактивная работа очень похожа на написа- ние обычной программы. Знание языка C/C++ при «общении» с ROOT является обязательным. Как и для PAW, напишем программу по вычис- лению чисел Фибоначчи: root [0] { end with ‘}’, ‘@’:abort > int a=0,b=1; end with ‘}’, ‘@’:abort > cout << a << “ “ << b << “ “; end with ‘}’, ‘@’:abort > for (int i=2;i<=10;i++) { end with ‘}’, ‘@’:abort > int x=a; a=b; b=x+b; end with ‘}’, ‘@’:abort > cout << b << “ “; end with ‘}’, ‘@’:abort > } end with ‘}’, ‘@’:abort > cout << endl; end with ‘}’, ‘@’:abort > } 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 Команды группируются с помощью фигурных скобок. Этот же код можно сохранить в файл fibonacci.cxx и выполнить его как скрипт: root [1] .x fibonacci.cxx 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 В случае C++ окончание команды отмечается «;». Если «;» опустить, то из ROOT получится неплохой калькулятор: root [2] 2*sqrt(5)*sin(2*3.14*75/180)/3.14**2 (const double)2.27312089125660893e-01 root [3] 2**10 (const int)1024 root [4] 2.**1023 (const double)8.98846567431157954e+307 Все вспомогательные команды ROOT начинаются с точки (.). Для выполнения команд оболочки используется команда .!, за которой сле- дуют shell-инструкции: root [5] .! ls *.cxx fibonacci.cxx Полный список вспомогательных команд можно получить с помо- щью инструкции .?. Все необходимые для анализа объекты представлены в виде клас- сов. Класс TFile соответствует файлу, в который можно сохранять ROOT- структуры. Объект TTree представляет из себя более изощрённую реа- лизацию идеи ntuple: root [6] TFile *f=new TFile(“ee-ang.root”) root [7] TTree *tree; root [8] tree= (TTree *) f->Get(“h1”); root [9] tree->Draw(«TAB» void Draw(Option_t* opt) Long64_t Draw(const char* varexp, const TCut& selection, Option_t* option = “”, Long64_t nentries = 1000000000, Long64_t firstentry = 0) Long64_t Draw(const char* varexp, const char* selection, Option_t* option = “”, Long64_t nentries = 1000000000, Long64_t firstentry = 0) root [10] tree->Draw(“E1”,”E1<2.&&f1==-11&&f2==11”) В строке [9] после скобки была нажата клавиша Tab, что привело к выводу подсказки по возможным командам. Отсутствие команды help восполняется автоматически создаваемой подсказкой.

Графический интерфейс

Графическое окно в ROOT называется «канвой» (объект TCanvas). Можно открыть сколько угодно таких окон: //Создаём новую канву E1. root [11] TCanvas *E1=new TCanvas(“E1”) //Создаём новую канву cfunc. root [12] TCanvas *cfunc=new TCanvas(“func”) //Переходим в канву E1. root [13] E1->cd(); //Рисуем гистограмму по параметру E1 с условием. root [14] tree->Draw(“E1”,”E1<2.&&f1==-11&&f2==11”) //Переходим в канву cfunc. root [15] cfunc->cd() //Делим канву cfunc на две части по Y. root [16] cfunc->Divide(1,2) //Создаём функцию. root [17] TF1 f1(“difr”,”0.1+(sin(x)/x)**2”,-10,10) //Переходим в верхнюю половину канвы cfunc. root [18] cfunc->cd(1) //Отображаем функцию. root [19] f1->Draw() //Переходим в нижнюю половину канвы cfunc. root [20] cfunc->cd(2) root [21] f1->Draw() //Устанавливаем для нижней половины канвы cfunc //логарифмический масштаб для оси Y. root [22] cfunc->cd(2)->SetLogy() //Из канвы cfunc создаём векторный eps-файл. root [23] cfunc->Print(“root-cfunc.eps”) //Из канвы E1 создаём растровый png-файл. root [24] E1->Print(“root-E1.png”) В отличие от своего предка PAW, ROOT позволяет интерактивно менять параметры картинки с помощью выпадающих меню. Тип меню зависит от того, на какой объект направлен указатель мыши. Также с помощью левой кнопки можно интерактивно изменять масштаб графи- ка. Для возврата в исходное состояние в меню, относящемся к выбран- ной оси, следует выбрать команду UnZoom. Не стоит этим увлекаться, так как кажущаяся простота увеличива- ет время, потраченное на создание картинок. В отличие от набранных команд, осмысленные движения и клики мыши сохранить для повтор- ного использования невозможно.

Базовые объекты

ROOT унаследовал все базовые объекты анализа, которые были в PAW. Но, в отличие от PAW, ROOT не ограничивается исключительно анализом. Примером такого подхода, например, служит включение в пакет операций для работы с матрицами (линейная алгебра) и базовых средств для манипуляции объектов OpenGL (отображение физических объёмов). ROOT претендует на нечто большее, чем быть просто пакетом анализа, но всё же в этом разделе будут перечислены только те объекты, которые могут пригодиться для представления данных.

Гистограммы

Гистограмма является одним из основных объектов анализа. По срав- нению с PAW, в ROOT было добавлено больше типов гистограмм. Конструктор гистограмм имеет вид TH1F. Для двумерной гистограммы вместо 1 надо подставить 2, а для трёхмерной (да, такие тоже есть, правда, непонятно, как их смотреть) – 3. F означает, что на один бин используется Float_t, аналогично возможны и другие типы переменных для хранения значения в бине. //Создаём новую канву. root [25] TCanvas *ch=new TCanvas(“Hist Test”,”Hist”) //Создаём гистограмму в 100 бинов от -3. до 3. root [26] TH1F *h = new TH1F(“h”,”Hist Test”,100,-3.,3.) //Обычно гистограммы заполняются с помощью метода Fill. root [27] h->Fill(«TAB» Int_t Fill(Double_t x) Int_t Fill(Double_t x, Double_t w) Int_t Fill(const char* name, Double_t w) //Но мы сейчас идём другим путём: // а) создаём функцию G, root [28] TF1 *func = new TF1(“G”,”exp(-x**2)”,-3,3) // б) заполняем гистограмму случайным образом // по форме функции G. root [29] h->FillRandom(“G”,1000) //Меняем цвет гистограммы. root [30] h->SetFillColor(45) //Подгоняем гистограмму распределением Гаусса root [31] h->Fit(“gaus”) … //Сохраняем полученную картинку. root [32] ch->Print(“root-histexample.eps”) Подгонкой «заведует» всё тот же Minuit, что был и в PAW, правда, переписанный на C++. Алгоритмы не поменялись.

Деревья

Деревья (tree) в ROOT – это логичное развитие идеи ntuple. ntuple, по сути дела, был таблицей со столбцами переменных типа float. В случае деревьев этого ограничения не существует, и в дереве можно сохранять любые объекты. //Создаём файл на диске. root [33] TFile *f = new TFile(“lkravg.root”,”RECREATE”) //Заводим новое дерево root [34] TTree *lkravg = new TTree(“lkravg”,”LKr degrad”) //Считаем файл lkravg.dat - тот самый, что “мучили” в //статье про PAW root [35] Long64_t nlines = lkravg->ReadFile(“lkravg.dat”, //список переменных “time:run:avg:avg_er:P:H”) root [36] cout << “Number of lines: “ << nlines << endl //Рисуем картинку: чёрные маркеры - есть магнитное поле, //красные маркеры - нет магнитного поля. root [37] lkravg->SetMarkerStyle(5) root [38] lkravg->Draw(“avg:time”,”H>0.1”) root [39] lkravg->SetMarkerColor(kRed) root [40] lkravg->Draw(“avg:time”,”H<=0.1”,”same”) //Пишем дерево в файл и закрываем файл. root [41] lkravg->Write(); root [42] f->Close(); //Теперь этот файл можно открыть root [43] TFile *f2 = new TFile(“lkravg2.root”) //и посмотреть что в нём есть - дерево сохранилось. root [44] .ls TFile** lkravg2.root TFile* lkravg2.root KEY: TTree lkravg;1 LKr degrad В ROOT есть множество способов создать и заполнить дерево. Подробности лучше посмотреть в пользовательской документации.

Функции

Как и в PAW, в ROOT есть мощная поддержка функций как объектов. С помощью метода Fit можно подогнать гистограмму или график. Но до этого следует определить функцию, например, так: //Файл mandel.cxx //Множество Мандельброта Double_t mandel(Double_t *XP,Double_t *par) { const Int_t nmax=30; Double_t xx=0.,yy=0.,tt,x,y; x=XP[0];y=XP[1]; for (Int_t n=1;n<nmax;n++) { tt=xx*xx-yy*yy+x; yy=2.*xx*yy+y; xx=tt; if (xx*xx+yy*yy>4.) break; } return Double_t(n)/Double_t(nmax); } Текст функции следует сохранить в файле mandel.cxx. После с ним можно работать из ROOT: //Загружаем описание функции mandel.cxx. //Теперь можно обращаться к функции. root [45] .L mandel.cxx root [46] TCanvas *cm=new TCanvas(“mandelbrot”,”Mandelbrot”) //Создаём объект «двумерная функция» TF2 root [47] TF2 *Mandelbrot=new TF2(“Mandelbrot”,mandel,-2.4,.8,-1.2,1.2,0) root [48] cm->Divide(2,2) root [49] cm->cd(1) root [50] Mandelbrot->SetNpx(«TAB» void SetNpx(Int_t npx = 100) // *MENU* //Увеличиваем число шагов отображения. //Как и в PAW функции отображаются через гистограммы. root [51] Mandelbrot->SetNpx(200) root [52] Mandelbrot->SetNpy(200) //Контурное графическое представление. root [53] Mandelbrot->Draw(“cont”) root [54] cm->cd(2) //Графическое представление в виде поверхность. root [55] Mandelbrot->Draw(“surf2”) root [56] cm->cd(3) //Множество Мандельброта в цилиндрических координатах. root [57] Mandelbrot->Draw(“surf4cyl”) root [58] cm->cd(4) //Графическое представление в стиле LEGO. root [59] Mandelbrot->Draw(“lego”) root [60] cm->Print(“root-mandel.eps”)

Интерпретатор C++ (CINT)

Интерпретатор С++ или CINT, который используется в ROOT, был независимым проектом. Сейчас он является составной частью ROOT, но его можно использовать и отдельно. Домашняя страничка CINT доступ- на по адресу http://root.cern.ch/root/Cint.html. CINT охватывает примерно 95% конструкций ANSI C и 85% от C++. Следует понимать, что полное соответствие стандартам никогда не было основной целью CINT. Не следует писать больших программ, опираясь на интерпретатор, так как скорость выполнения команд уступает компи- лируемой версии программы примерно в десять раз. А где один порядок, там и два. Для небольших скриптов автоматизации анализа CINT впол- не подходит, но для серьёзных целей надо писать обычные программы. Благо, абсолютно всё, что доступно в ROOT интерактивно, доступно и через библиотечные вызовы. Так уж ROOT сделан. Для внешних CINT-скриптов есть две полезные команды: //Выполняем скрипт script.cxx root [66] .x script.cxx //Загружаем функции, описанные в lib.cxx root [67] .L lib.cxx Одной из отличительных особенностей ROOT является возможность делать функции из внешних библиотек доступными для выполнения в скриптах CINT или интерактивно. Ниже будет приведён пример, как под- ключить пользовательскую C-библиотеку. Допустим, у вас есть C-библиотека, в которой есть функции myfunc1() и myfunc2(char*), которые необходимо экспортировать в среду ROOT. Для этого нужно создать заголовочный файл myfile.h примерно следующего вида: /*Файл myfile.h*/

1. ifdef __cplusplus

extern “C” {

1. endif

extern void myfunc1(); extern int myfunc2(char *);

1. ifdef __cplusplus

}

1. endif

Пока всё как обычно. Чтобы экспортировать функции в ROOT, необходимо создать ещё один заголовочный файл myfileLinkDef.h (к myfile добавляется LinkDef): /*Файл myfileLinkDef.h */

1. ifdef __CINT__
2. pragma link C++ function myfunc1();
3. pragma link C++ function myfunc2(char*);
4. endif

Так же можно экспортировать и структуры, подставив вместо слова function слово struct. После создания описанных заголовочных файлов необходимо создать «словарик»: > rootcint -f myfileDict.cxx -c myfile.h myfileLinkDef.h В результате будут созданы файлы myfileDict.h и myfileDict. cxx. Далее нужно собрать саму библиотеку. Пусть для простоты вся биб- лиотека представляет из себя один C-файл myfile.c:

1. Компилируем myfile.c.

> gcc -c -fPIC myfile.c

1. Компилируем словарик.

> g++ -c -fPIC `root-config --cflags` myfileDict.cxx

1. Создаём разделяемую библиотеку.

> g++ -shared -o myfile.so myfile.o myfileDict.o Теперь эту вновь созданную библиотеку можно загрузить в ROOT для интерактивной работы: root [68] gSystem->Load(“myfile”) root [69] myfunc1() root [70] Int_t icount=myfunc2(“string”) Это далеко не единственный способ подключить пользовательскую библиотеку к ROOT. Для компиляции скриптов можно использовать подсистему ACLiC. P.S. Кроме CINT, в среде ROOT можно использовать скрипты, напи- санные на Python или Ruby. И наоборот: из этих языков можно общаться с библиотеками ROOT. К сожалению, описание этих механизмов выходит за рамки данной статьи.

Заключение

Эта статья – не описание ROOT, а всего лишь набор штрихов к его портрету. Для более подробного зна- комства настоятельно рекомендуем посетить http:// root.cern.ch. ROOT – не просто инструмент анализа; это среда для генерации таких инструментов. Он, возможно, неповорот- лив и избыточен, но гибок и очень легко расширяем. Это не идеал, но идеал, скорее всего, будет на него похож.