SATySFi で図をページ下部に配置するパッケージを作った

SATySFi で図をページ下部に配置できるようにするパッケージを作ったので，その使い方と実装について書いておく．

GitHub repo: sano-jin/satysfi-footnote-scheme-ext

Demo image. このようにページ下部に図を挿入できる．

背景

2024 年 3 月現在，私の調べた限り，SATySFi で図をページ下部に挿入することが可能なクラスファイルなどは提供されていなかった．

【随時更新】SATySFi ベストプラクティスまとめ#図の挿入
LaTeX の figure 環境の指定位置でいう bottom (b) や page (p) に相当する機能を提供するクラスファイルは現在存在しないと思われます。

bottom は原理的には可能と思われます。探したらあるかもしれません。

確かに論文だと図はページ上部に配置することが多い気がするので，実用上問題ないのかも知れない．

ただ．個人的には特に個人用のメモだと，図を引用したページの下部に図が配置されている方が見やすい気がする．

「原理的には可能と思われる」ということなので，自作してみた．

footnote-scheme-ext とは？

というわけで，図をページ下部に配置するために footnote-scheme-ext.satyh というパッケージを作った．

このパッケージは footnote-scheme.satyh の拡張版で， footnote を活用して図をページ下部に配置することを可能にする．

Footnote を使って無理やりページ下部に図を挿入するというのはなんだか変な感じ（というか変）だけど，そもそも SATySFi の今の公式クラスファイルの \figure コマンドは header に図も挿入することで図を上部に配置しているので，まぁ許されても良いのではないかと思う．

そして浮動する図の挿入の方はヘッダ機能を援用しているだけなのでpoor man’s 浮動体
— 画力・博士号・油田 (@bd_gfngfn) November 28, 2018

こういう tricky なことをするパッケージがもしも仮に de facto になってしまうと SATySFi の健全な発展を阻害してしまうかも知れないという懸念はないわけでもないような気がしないでもないけど，細かいことは気にしないことにする．¹

デモの動かし方

demo ディレクトリにデモファイルを用意した．これを実際にビルドしてみて中身も見てみるのが，実際に使う上では一番手っ取り早いと思う．

まずはビルドしてみよう． satysfi-base を利用しているので，これを事前にインストールしておく必要があることに注意．

git clone https://github.com/sano-jin/satysfi-footnote-scheme-ext.git
cd satysfi-footnote-scheme-ext

# satysfi-base を利用しているので，base のインストールが必要．
opam install satysfi-base
satyrographos install

cd demo
satysfi sample.saty # sample.pdf が生成される．

この出力結果は demo/sample.pdf となる．

Sample image.

ここで， sample.saty は以下のようになっている． \figure コマンドに b (bottom) オプションを渡すことで，図をページ下部に表示している．

@import: stdjareport
@import: local

% これを open しておくと，図の配置位置を t/b で指定できるようになる．
open FloatPosAlias in

document(| ... |)'<
  ...

  +section { ... } <
    +p {
      ...
      % 図の配置位置を b: bottom で指定している．
      \figure ?:(`fig:logo`) ?:(b) { \SATySFi; のロゴ． } <
        +image-frame { \insert-image (7cm) (`satysfi-logo.jpg`); }
      >
      ...
    }
  >
>

このパッケージの使い方

デモファイルでは \figure コマンドを使ったが，実はこのパッケージは図を挿入する \figure のようなコマンドを直接定義しているわけではない．

このパッケージは，あくまで footnote-scheme.satyh の拡張版であって，従来同様クラスファイルの実装を助けるプリミティブを提供しているだけとなっている．

もし \figure コマンドを使いたいなら，このパッケージを利用したクラスファイルを自作するか，誰かが作ったものを使う必要がある．

デモファイルのように stdjareport.satyh の \figure コマンドを改造して， top/bottom の指定ができるようにしたい場合は以下のようにする．

satysfi-base をインストール．

opam install satysfi-base
satyrographos install

このパッケージ footnote-scheme-ext をインストール．とりあえずは src/footnote-scheme-ext.satyh を手動でコピーしてきて手元に置いてやる必要がある．
stdjareport.sath で @require: footnote-scheme の代わりに @import: footnote-scheme-ext する．
```
@import: footnote-scheme-ext
```
まず stdjareport.satyh において，float box の position の型を定義しておく．
```
type floatpos =
  | FloatPosTop
  | FloatPosBottom
```
stdjareport.satyh の \figure コマンドが floatpos を引数に取れるように関数の型を変更する．
```
direct \figure : [string?; floatpos?; inline-text; block-text] inline-cmd
```

\figure コマンド内部において，floatpos で FloatPosBottom を指定されたときは FootnoteScheme.add-float-bottom するようにする．

% パラメータ floatpos を新たに追加．
let-inline ctx \figure ?:labelopt ?:floatpos caption inner =
  ...
  let bb-inner = ... in
    match floatpos with
    | Some(FloatPosBottom) ->
        % FloatPosBottom を指定されたときは footnote-scheme-ext の関数を用いてページ下部に配置する．
        FootnoteScheme.add-float-bottom bb-inner
    | _ ->
      hook-page-break (fun pbinfo _ -> (
        let () = display-message (`register `# ^ (arabic pbinfo#page-number)) in
        ref-float-boxes <- (pbinfo#page-number, bb-inner) :: !ref-float-boxes
      ))

こうすることで， \figure ?:(`label`) ?:(FloatPosBottom) {This is a caption} <...> のようにしてページ下部に図を挿入できるようになる．

ユーザに FloatPosBottom などのように書かせるのが手間なら， easytable などでやっているように alias 用のコマンドを作っておけば良い．

例えば以下のようにすることで，ユーザは open FloatPosAlias in をすれば， FloatPosBottom の代わりに b と書くだけで配置位置を指定できる．
```
module FloatPosAlias : sig
  val t : floatpos
  val b : floatpos
end = struct
  let t = FloatPosTop
  let b = FloatPosBottom
end
```
こうしてやると， \figure ?:(`label`) ?:(b) {This is a caption} <...> のように \figure コマンドを使うことができる．

これらの改造を施した stdjareport.satyh が， demo/stdjareport.satyh である．

この改造版と従来の stdjareport.satyh とで diff をとった結果を以下に貼っておく．

10,11c10
< @import: ../src/footnote-scheme-ext
< % @require: footnote-scheme-ext/footnote-scheme-ext
---
> @require: footnote-scheme
13,15d11
< type floatpos =
<   | FloatPosTop
<   | FloatPosBottom
17,24d12
< module FloatPosAlias : sig
<   val t : floatpos
<   val b : floatpos
< end = struct
<   let t = FloatPosTop
<   let b = FloatPosBottom
< end
<
59c47
<   direct \figure : [string?; floatpos?; inline-text; block-text] inline-cmd
---
>   direct \figure : [string?; inline-text; block-text] inline-cmd
176,177c164
<   % パラメータ floatpos を新たに追加．
<   let-inline ctx \figure ?:labelopt ?:floatpos caption inner =
---
>   let-inline ctx \figure ?:labelopt caption inner =
198,206c185,188
<       match floatpos with
<       | Some(FloatPosBottom) ->
<           % FloatPosBottom を指定されたときは footnote-scheme-ext の関数を用いてページ下部に配置する．
<           FootnoteScheme.add-float-bottom bb-inner
<       | _ ->
<         hook-page-break (fun pbinfo _ -> (
<           let () = display-message (`register `# ^ (arabic pbinfo#page-number)) in
<           ref-float-boxes <- (pbinfo#page-number, bb-inner) :: !ref-float-boxes
<         ))
---
>       hook-page-break (fun pbinfo _ -> (
>         let () = display-message (`register `# ^ (arabic pbinfo#page-number)) in
>         ref-float-boxes <- (pbinfo#page-number, bb-inner) :: !ref-float-boxes
>       ))

demo ディレクトリでは，その他のファイル（demo/local.satyh 及び demo/satysfi-logo.jpg) は， SATySFi の公式デモのものをそのままコピーしてきて配置しているだけとなっている．

クラスファイル開発者向けメモ

このパッケージは footnote-scheme.satyh の拡張版． footnote-scheme.satyh の後方互換性がある（ことを意図して作った²）ので，単に footnote-scheme.satyh の代わりにこのパッケージを用いるようにすれば良い．

このパッケージの FootnoteScheme モジュールが公開している field は

initialize : unit → unit
start-page : unit → unit
main : context → (int → inline-boxes) → (int → block-boxes) → inline-boxes
main-no-number : context → (unit → inline-boxes) → (unit → block-boxes) → inline-boxes
[NEW] add-float-bottom : block-boxes → inline-boxes

であり，add-float-bottom が追加で新たに公開している field である．これは block-boxes 型の値（図など）を受け取って，それをページ下部（脚注の上）に挿入する．

他の関数は従来と同じような使い方をすれば良い．

ただ，他の関数も図を footnote の最上部に配置するために，本来の footnote は一旦退避させておくなど，内部的にはかなり色々追加の処理をしている．具体的にどういうことをしているのかは，せっかくなのであとで実装の詳細のところで説明する．

このパッケージの開発者向け（自分用）メモ

折角なので，このパッケージの実装方針やハマったことなどをまとめておく．

このパッケージを使うだけなら，以下は読まなくとも良い．

コンパイル方法など

satysfi-base を利用しているので，base のインストールが必要．出来れば最新版を pin して活用した方が良さそう．

# 出来れば最新版を pin する．
# 最新版でないと直っていないバグがあったり仕様が少し変わっているため．
opam pin add "git+https://github.com/nyuichi/satysfi-base.git"
opam install satysfi-base
satyrographos install

Cross Reference を活用しまくるパッケージの開発にあたって，.aux ファイルがあると挙動が変わることがある． Aux ファイルはまずは削除して，コンパイルして望み通りの結果になるか確かめる必要がある．

rm sample.satysfi-aux; satysfi sample.saty | tee output.log

この tee コマンドは標準出力とログファイルへの出力を両方やるためのもの．

デバッグ用に継続的にコンパイルするために， fswatch でファイルを監視する bash スクリプトを書いたので， fswatch をインストール済みであれば以下のようにして使うこともできる．

./watch sample.saty

#!/bin/bash

set -eux

filename="$1"
echo "watching updates of '$filename'"

set +e
satyhs=($(find ** | grep -e '.satyh' -e '.satyg' -e '.bib'))
if [ $? = 0 ]; then
  echo "deps: ${satyhs[@]}"
  fswatch -o "$filename" "${satyhs[@]}" | xargs -I{} time "$(rm *.satysfi-aux; satysfi "$filename" -o "${filename%%.*}.pdf")" | tee output.log
else
  fswatch -o "$filename" | xargs -I{} time "$(rm *.satysfi-aux; satysfi "$filename" -o "${filename%%.*}.pdf")" | tee output.log
fi

このパッケージの実装方針

本パッケージは，footnote を活用して図をページ下部に配置する．

図を footnote の最上部に配置するために，本来の footnote は一旦退避させておき，そのページの中の最後の図を挿入するタイミングで退避させた footnotes も挿入する．

今回使用している Cross Reference は以下の三つ．名前空間分離のために，全てに prefix __footnote-scheme-ext: をつけている．

__footnote-scheme-ext:fig-map:<figure number>
__footnote-scheme-ext:footnote-map:<footnote number>
__footnote-scheme-ext:fig-num

それぞれ何のために用いるのかは，これから詳しく解説する．

実装においては figure という名前にしているが，実際には float 環境を意味している．³

このパッケージの実装の詳細

Figure には figure number と footnote number を両方振る． Figure number は，ページ下部に挿入する図の通し番号で， footnote number はページ下部の図と脚注の両方（ページ下部に挿入するもの全て）の通し番号．

Figure を挿入しようとするときは hook-page-break (SATySFi のビルトイン関数)で，その figure を挿入しようとしたページ番号を取得し，その figure の番号と footnote number とともに Cross Reference 1: __footnote-scheme-ext:fig-map:<figure number> → <page number> <footnote-num> に記録する．

また， figure number の最大値を Cross Reference 3: __footnote-scheme-ext:figure-num に記録しておく．

Footnote を挿入しようとしているときも hook-page-break (SATySFi のビルトイン関数)で，その footnote を挿入しようとしたページ番号を取得し， Cross Reference 2: __footnote-scheme-ext:footnote-map:<footnote number> → <page number> に記録する．

従って，コンパイルの二巡目の前に以下の三つの Cross Reference が生成されていることになる．

__footnote-scheme-ext:fig-map:<figure number> → <page number> <footnote-num>

Figure number（ページ下部に挿入する図の通し番号）から，その図が挿入されるページ番号⁴と，その図の footnote number（図と脚注両方含めたページ下部に挿入する全てのものの通し番号）がわかる．
__footnote-scheme-ext:footnote-map:<footnote number> → <page number>

Footnote number（図と脚注両方含めたページ下部に挿入する全てのものの通し番号）から，その図が挿入されるページ番号がわかる．
__footnote-scheme-ext:fig-num → <maximum figure number>

ページ下部に挿入される図の合計数がわかる．

このパッケージは，冒頭で Cross Reference からデータを読み出してきて以下の関数を定義する．

(a) figure number が与えられたときにその figure がそのページで一番最後かを判定する関数． is-last-fig: <figure number> -> bool
- Cross Reference 1: __footnote-scheme-ext:fig-map:<figure number> → <page number> <footnote-num> を参照する．
- 最初は全ての figure が自分が一番最後だと思うような実装にする．つまり，未定義の figure number が与えられた場合は true を返す．
(b) footnote number が与えられたときに，「これから挿入しようとしているページに figure がない，または既に全ての figure を挿入した後である」かを判定する関数を定義する． is-no-more-fig: <footnote number> -> bool
- Cross Reference 2: __footnote-scheme-ext:footnote-map:<footnote number> → <page number> を参照する．
- 最初は figure がないと思うような実装にする．つまり，未定義の footnote number が与えられた場合は true を返す．

Figure が与えられたとき．

figure-num-ref から自分の figure number を取得し，figure-num-ref はインクリメントしておく．
この際，figure number の最大値を Cross Reference 3: __footnote-scheme-ext:figure-num に記録しておく．
footnote-num-ref もインクリメントしておく．
自分自身は普通に add-footnote (SATySFi のビルトイン関数) していく．
is-last-fig を参照して，自分が一番最後なら footenotes-ref を flush する．
hook-page-break (SATySFi のビルトイン関数) を用いて，ページ番号などを Cross Reference に記録しておく（前述参照）

Footnote が与えられたとき．

footnote-num-ref から自分の footnote number を取得し，footnote-num-ref はインクリメントしておく．
is-no-more-fig を参照して， true なら普通に add-footnote (SATySFi のビルトイン関数) していく． false なら footnote-ref に退避させる．
hook-page-break (SATySFi のビルトイン関数) を用いて，ページ番号などを Cross Reference に記録しておく（前述参照）

ハマったこと

SATySFi は Cross Reference の値が更新されている場合は全てを再評価するのではなく，あくまで（クラスファイルの）document 関数のみ再評価するようだ．⁵

従って，パッケージ側も再評価して欲しいなら，再評価して欲しい関数を呼び出す initialize などの関数を定義しておいた上で，その initialize などの関数を（クラスファイルの）document 関数内で呼び出してもらうなどの運用にする必要がある．

その他の失敗に終わった試みなど

当初は FigBox モジュールを使って絶対座標で挿入できないかと考えており，色々試したが，結論から言うとうまくできなかった．

FigBox モジュールを使った絶対座標での挿入はもちろんうまくできるのだが，そのままではテキストが背面に来てしまい，重なってしまう．

trial 1.

Cross Reference に図の高さを記録しておき， text-height をそれに応じて変えると言う戦略を考えたが，うまくいかなかった． text-height は footnote も含んだ高さなので，footnote の方が上に来てしまう．

trial 2.

Cross Reference に図の高さを記録しておき， footnote の横線を描画する際にその上に figure の分のスペースを空けておいた上で， footnote の一番上の座標に合わせて figure を配置すると言う戦略も考えた．

trial 3.

ただし，これもうまくいかなかった．

これをやるには，最後に図を絶対座標を用いて配置する際に， footnote の横線（脚注の上端）の座標が分かっている必要があるが，それを手に入れられなかった．

hook-page-break を使えば良いものかと思ったが，どうやら hook-page-break で渡される point は恐らくその hook が呼び出された point らしい．つまり本文中で引用した箇所の座標しか手に入れることができず，脚注の方の座標は分からない．

こうなったら，今度は脚注内で再び hook-page-break を呼び出せば脚注の座標がわかるのでは，とも考えたが，これはこれでどうにもうまくいかず，結局諦めた．

まとめ

SATySFi で図をページ下部に挿入できるようにするパッケージを作ってみました．是非試してみて下さい．

そもそもこのパッケージをみんな使うというのがちょっと自信過剰すぎるし． ↩
バグっていて違う挙動になる可能性はある．．． ↩
数値の float 型と紛らわしいと思ったため． ↩
あとでよく考えると，Cross Reference 2: __footnote-scheme-ext:footnote-map:<footnote number> → <page number> で図のページ番号も取得できるので，ここでページ番号も記録しておく必要はなかったかも知れない． ↩
たぶん． ↩

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背景

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デモの動かし方

このパッケージの使い方

クラスファイル開発者向けメモ

このパッケージの開発者向け（自分用）メモ

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このパッケージの実装の詳細

ハマったこと

その他の失敗に終わった試みなど

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