Mercurial > hg > Papers > 2016 > parusu-sigos

<!DOCTYPE html>
<html>
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   <meta http-equiv="content-type" content="text/html;charset=utf-8">
   <title>Code Gear、 Data Gear に基づく OS のプロトタイプ</title>

<meta name="generator" content="Slide Show (S9) v2.5.0 on Ruby 2.3.1 (2016-04-26) [x86_64-darwin15]">
<meta name="author"    content="伊波 立樹" >

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    </div>
  </div>
</div>

<div class="presentation">

  <div class='slide cover'>
    <table width="90%" height="90%" border="0" align="center">
      <tr>
        <td>
          <div align="center">
            <h1><font color="#808db5">Code Gear、 Data Gear に基づく OS のプロトタイプ</font></h1>
          </div>
        </td>
      </tr>
      <tr>
        <td>
          <div align="left">
            伊波 立樹
            琉球大学理工学研究科
            <hr style="color:#ffcc00;background-color:#ffcc00;text-align:left;border:none;width:100%;height:0.2em;">
          </div>
        </td>
      </tr>
    </table>
  </div>

<div class='slide '>
<!-- === begin markdown block ===

      generated by markdown/1.2.0 on Ruby 2.3.1 (2016-04-26) [x86_64-darwin15]
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                  using options {}
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<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="gears-os">Gears OS</h2>
<ul>
  <li>当研究室では 処理の単位を Code Gear、 データの単位を Data Gear を用いて
    <ul>
      <li>並列性</li>
      <li>柔軟性</li>
      <li>信頼性</li>
    </ul>
  </li>
</ul>

<p>を指標とした Gears OS を設計してきた</p>

<ul>
  <li>本研究では Gears OS のプロトタイプとして並列処理機構を Continuation based C(CbC) で実装を行う</li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="gears-os-">Gears OS の並列性</h2>
<ul>
  <li>Gears OS はプログラムの単位として Gear を用いる</li>
  <li>Gear には プログラムの処理を示す Code Gear、 Data を示す Data Gear がある</li>
  <li>Code/Data Gear を用いて記述することでプログラム全体の並列度を高め、効率的に並列処理することが可能</li>
</ul>

<div style="text-align: center;">
    <img src="./images/codeGear_dataGear.svg" alt="message" width="450" />
</div>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="gears-os--1">Gears OS の柔軟性</h2>
<ul>
  <li>Gears OS は Meta Computation を使用することで
    <ul>
      <li>データ拡張や機能の追加</li>
      <li>GPU 等のさまざまなアーキテクチャでも同じプログラムの動作</li>
      <li>バージョンが異なる者同士がネットワーク接続しても通信</li>
    </ul>
  </li>
</ul>

<p>等を柔軟に対応する</p>

<ul>
  <li>Meta Computation は 通常の Computaiton と階層を分けて処理を行う</li>
</ul>

<div style="text-align: center;">
    <img src="./images/meta_gear.svg" alt="message" width="800" />
</div>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="gears-os--2">Gears OS の信頼性</h2>
<ul>
  <li>検証
    <ul>
      <li>モデル検査を行う</li>
      <li>モデル検査は状態の数が膨大になると検査するのが難しい</li>
      <li>そのため、不必要な状態である環境やスタックをなるべく取り除き、処理を行う</li>
    </ul>
  </li>
  <li>証明
    <ul>
      <li>Code Gear と Data Gear を理論的に定義</li>
    </ul>
  </li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="section">この発表は</h2>
<ul>
  <li>Gears OS でのGear</li>
  <li>Meta Computation</li>
  <li>Continuation based C(CbC)</li>
  <li>CbC を用いた Gears OS の記述</li>
  <li>Gears OS の並列処理のプロトタイプ</li>
  <li>まとめ</li>
  <li>課題</li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="code-gear-data-gear">Code Gear、 Data Gear</h2>
<ul>
  <li>Gears OS は Code Gear、 Data Gear という Gear で構成される</li>
  <li>Code Gear はプログラムの処理そのものを表す</li>
  <li>Data Gear は int や 文字列などの Data そのものを表す</li>
  <li>Code Gear は必要な Input Data Gear が揃ったら実行し、 Output Data Gear を生成する</li>
  <li>Code Gear と Input / Output Data Gear の対応から依存関係を解決し、 Code Gear の並列実行を行う</li>
</ul>

<div style="text-align: center;">
    <img src="./images/codeGear_dataGear_dependency.svg" alt="message" width="600" />
</div>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="meta-computation">Meta Computation</h2>
<ul>
  <li>Meta Computation は通常の Computation のための Computation</li>
  <li>並列処理の依存関係の解決、 GPUなどのアーキテクチャでの実行のために行う処理などを行う</li>
  <li>Gears OS では Meta Computation を Meta Code Gear, Meta Data Gear で表現</li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="meta-gear">Meta Gear</h2>
<ul>
  <li>Meta Computation は Code/Data Gearの接続の間に行われる</li>
  <li>Meta Computation の処理も Code/Data Gear で実現する</li>
  <li>この Gear を Meta Code/Data Gearと呼ぶ
    <ul>
      <li>Meta Code Gear は Meta Computation のプログラム部分</li>
      <li>Meta Data Gear は Meta Code Gear で管理されるデータ部分</li>
    </ul>
  </li>
  <li>Gears OS は通常の Code/Data Gear から Meta Code/Data Gear 接続部分は見えないように実装を行う</li>
</ul>

<div style="text-align: center;">
    <img src="./images/meta_cg_dg.svg" alt="message" width="850" />
</div>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="continuation-based-c">Continuation based C</h2>
<ul>
  <li>Gears OS の実装は本研究室で開発している Continuation based C(CbC) を用いる</li>
  <li>CbC は処理を Code Segment を用いて記述する事を基本とする</li>
  <li>Code Segment は Code Gear を同等のものため、 Gears OS を記述するのに適している</li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="continuation-based-c-1">Continuation based C</h2>
<ul>
  <li>Code Segment の定義は <code>__code CS名</code> で行う</li>
  <li>Code Segment 間は <code>goto CS名</code> で移動する。この移動を継続と呼ぶ</li>
  <li>Code Segment の継続は C の関数呼び出しとは異なり、戻り値を持たないためスタックの変更を行わない
    <ul>
      <li>このような環境を持たない継続を軽量継続と呼ぶ</li>
    </ul>
  </li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="continuation-based-c-2">Continuation based C</h2>
<ul>
  <li>このコードは code1、code2 の2つの Code Segment を定義している</li>
  <li>code1 内の <code>goto code2</code> でcode2 への継続を行っている</li>
</ul>

<pre lang="c"><code>/* code1 define */
__code code1(List list) {
    ....
    goto code2(list)
}

/* code2 define */
__code code2(List list) {
    ...
}
</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="cbc--gears-os-">CbC を用いた Gears OS の記述</h2>
<ul>
  <li>Gears OS での Code Gear も  Code Segment の定義のように記述する</li>
  <li>各 Code Gear の引数は 必要な Data Gear を示す</li>
  <li>このコードでは 2つの Code Gear と 1つの Meta Code Gear を定義しており、 code1 から code2への継続を行っている</li>
</ul>

<pre lang="c"><code>__code code1(struct Array* array, struct LoopCounter* loopCounter) {
    ...
    goto code2(array);
}

__code meta_code1(struct Context* context, enum Code next) {
    goto (context-&gt;code[next])(context);
}

__code code2(struct Array* array) {
    ...
}
</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="cbc--gears-os--1">CbC の Gears OS サポート</h2>
<ul>
  <li>実際は code1 から code2 への継続の間には Meta Code Gear である meta_code1 が実行される</li>
  <li>通常は Meta Level の継続をプログラマーは意識する必要はない</li>
  <li>そこで、CbC は Code Gear 間の接続に自動的に Meta Code Gear を挟むというサポートを行う</li>
  <li>CbC のサポートを行うとこのコードのように展開される</li>
  <li>メタレベルのサポートの際は <strong>context</strong> という Meta Data Gear を使用する</li>
</ul>

<pre lang="c"><code>__code code1(struct Context* context, struct Array* array, struct LoopCounter* loopCounter) {
    ...
    goto meta_code1(context, Code2);
}

__code code1_stub(struct Context* context) {
    goto code1(context, &amp;context-&gt;data[Node]-&gt;node.value-&gt;array, &amp;context-&gt;data[LoopCounter]-&gt;loopCounter);
}

__code meta_code1(struct Context* context, enum Code next) {
    goto (context-&gt;code[next])(context);
}

__code code2(struct Context* context, struct Array* array) {
    ...
}
</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="context">Context</h2>
<ul>
  <li>Context は
    <ul>
      <li>接続可能な Code/Data Gear のリスト</li>
      <li>独立したメモリ空間
をもっている</li>
    </ul>
  </li>
  <li>各 Code/Data Gear にアクセスする際は Context を経由する</li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="context-1">Context</h2>
<ul>
  <li>Context は
    <ul>
      <li>実行可能な Code Gear の数を示す <strong>codeNum</strong></li>
      <li>実行可能な Code Gear のリストを示す <strong>code</strong></li>
      <li>Data Gear の Allocate 用の <strong>heapStart</strong>, <strong>heap</strong>, <strong>heapLimit</strong></li>
      <li>Data Gear の数を示す <strong>dataNum</strong></li>
      <li>Data Gear のリストを示す <strong>data</strong>
で構成される</li>
    </ul>
  </li>
</ul>

<pre lang="c"><code>/* context define */
struct Context {
    int codeNum;
    __code (**code) (struct Context*);
    void* heapStart;
    void* heap;
    long heapLimit;
    int dataNum;
    union Data **data;
};
</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="context-2">Context</h2>
<ul>
  <li>実行可能な Code Gear の名前は <strong>enum code</strong> で定義する</li>
  <li>Context の初期化時に名前と関数ポインタを対応付ける</li>
  <li>現在の Gears ではこの enum code 使って接続先の Code Gear を指定する</li>
</ul>

<pre lang="c"><code>enum Code {
    Code1,
    Code2,
    Code3,
    Exit,
};
</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="data-gear-">Data Gear の表現</h2>
<ul>
  <li>使用する Data Gear は C の共用体と構造体を用いた表現をする</li>
  <li>これを元に Gears OS は 必要な Data Gear を allocate する</li>
</ul>

<pre lang="c"><code>/* data Gear define */
union Data {
    struct Time {
        enum Code next;
        double time;
    } time;
    struct LoopCounter {
        int i;
    } loopCounter;
    ....
};
</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="code-gear--stub">Code Gear の stub</h2>
<ul>
  <li>Data Gear にアクセスするにはContext を経由する</li>
  <li>だが、通常の Code Gear では Meta Data Gear である Context の参照は避ける必要がある</li>
  <li>Gears OS では通常の Code Gear で必要な Data Gear を Context から取り出す stub を用意する</li>
  <li>stub は一種の Meta Code Gear であるため、 CbC で自動生成される</li>
  <li>このコードでは Array と LoopCounter が必要な code1 の stub を示している</li>
</ul>

<pre lang="c"><code>__code code1(struct Context* context, struct Array* array, struct LoopCounter* loopCounter) {
    ...
}

/* stub define */
__code code1_stub(struct Context* context) {
    goto code1(context, &amp;context-&gt;data[Node]-&gt;node.value-&gt;array, &amp;context-&gt;data[LoopCounter]-&gt;loopCounter);
}
</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="section-1">プロトタイプ の構成</h2>
<ul>
  <li>今回は並列処理を行う機構の実装を行う</li>
  <li>必要な要素は大きく5つ
    <ul>
      <li>Context</li>
      <li>TaskQueue
        <ul>
          <li>実行される Task のリストを扱う</li>
        </ul>
      </li>
      <li>Persistent Data Tree
        <ul>
          <li>Code Gear によって参照される Data Gear の管理を行う</li>
        </ul>
      </li>
      <li>Worker
        <ul>
          <li>TaskQueue から Task を取得し、実行する</li>
        </ul>
      </li>
      <li>TaskManager
        <ul>
          <li>Persistent Data Tree を監視し、 Task の依存関係を解決する</li>
        </ul>
      </li>
    </ul>
  </li>
</ul>

<p>※ TaskManager は今回未実装</p>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="taskqueue">TaskQueue</h2>
<ul>
  <li>Task Queue は Task のリストを扱う</li>
  <li>すべての Thread で共有されるため、 Compare And Swap(CAS) を使用した Synchronized Queue として実装する</li>
  <li>TaskQueue は 2つで Data Gear で表現される
    <ul>
      <li>先頭と末尾の要素を持った Queue 表す Data Gear</li>
      <li>Task と次の要素へのポインタを持った、リスト構造を表現する Element という Data Gear</li>
    </ul>
  </li>
</ul>

<pre lang="c"><code>// Data Gear define
union Data {
    struct Queue {
        struct Element* first;
        struct Element* last;
    } queue;

    struct Element {
        struct Task* task;
        struct Elemen* next;
    } element
};
</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="taskqueueenqueue">TaskQueueの操作(Enqueue)</h2>
<ul>
  <li>Task を挿入する場合 Queue の last から最後の要素を取り出し、次の要素に新しく挿入する要素を設定</li>
  <li>正しく最後の要素が変更できたことを CAS で 保証し、末尾の変更を行う必要がある</li>
</ul>

<pre lang="c"><code>__code putQueue3(struct Queue* queue, struct Element* new_element) {
    struct Element* last = queue-&gt;last;

    if (__sync_bool_compare_and_swap(&amp;queue-&gt;last, last, new_element)) {
        last-&gt;next = new_element;

        goto exit();
    } else {
        goto putQueue3(queue, new_element);
    }
}

</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="persistent-data-tree">Persistent Data Tree</h2>
<ul>
  <li>Persistent Data Tree は Data Gear の管理を行う</li>
  <li>TaskQueue と同じですべての Thread で共有される</li>
  <li>Red-Black Tree アルゴリズムを用いて木構造の平衡性を保つ</li>
  <li>木構造から読み出される Data Gear は Code Gear の Input Data Gear, 書き出すData Gear は Output Data Gear になる</li>
</ul>

<div style="text-align: center;">
    <img src="./images/persistent_date_tree_2.svg" alt="message" width="800" />
</div>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="persistent-data-tree-1">Persistent Data Tree</h2>
<ul>
  <li>Persistent Data Tree は
    <ul>
      <li>Tree 自体を示す Data Gear</li>
      <li>Node を示す Data Gear</li>
    </ul>
  </li>
</ul>

<p>を用いて木構造を表現する</p>

<pre lang="c"><code>union Data {
    struct Tree {
        struct Node* root;
    } tree;
    struct Node {
        int key; // comparable data segment
        union Data* value;
        struct Node* left;
        struct Node* right;
        // need to balancing
        enum Color {
            Red,
            Black,
        } color;
    } node;
};
</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="worker">Worker</h2>
<ul>
  <li>Worker は TaskQueue から Task を取得して実行する</li>
</ul>

<table align="center">
  <tbody>
    <tr>
      <td>
        <div>
            <img src="./images/worker.svg" alt="message" width="600" />
        </div>
     </td>
     <td>
        <ol>
            <li> Worker は Task Queue から Task を取り出す(1. Dequeue Task)</li>
            <li> 取り出した Task には Tree の key が入っているため Tree からその key に対応した Input Data Gear を読み込む(2. Read Data Gear) </li>
            <li> Task に格納されている Code Gear を実行する </li>
            <li> Code Gear を実行した結果、生成された Output Data Gear を Tree に書き出す(3.Write Data Gear) </li>
        </ol>
     </td>
    </tr>
  </tbody>
</table>

<ul>
  <li>Task が完了したら次の Task を取得する</li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="taskmanger">TaskManger</h2>
<ul>
  <li>TaskManager は Task の依存関係の解決を行う</li>
  <li>Thread の作成と停止も行う</li>
</ul>

<div style="text-align: center;">
    <img src="./images/taskManager.svg" alt="message" width="800" />
</div>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="section-2">プロトタイプの実行</h2>
<ul>
  <li>今回 Gears OS の構成要素である Persistent Data Tree, TaskQueue, Worker の実装を行った</li>
  <li>これにより、 Gears OS を用いて依存関係のない並列処理の実行が可能になった</li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="gears-os--code-gear-">Gears OS で実行する Code Gear 例</h2>
<ul>
  <li>プロトタイプのタスクの例題として Twice を実装した</li>
  <li>Twice は与えられた整数配列を2倍にする例題である</li>
</ul>

<pre lang="c"><code>// Twice Code Gear
__code twice(struct LoopCounter* loopCounter, int index, int alignment, int* array) {
    int i = loopCounter-&gt;i;

    if (i &lt; alignment) {
        array[i+index*alignment] = array[i+index*alignment]*2;
        loopCounter-&gt;i++;

        goto twice(loopCounter, index, alignment, array);
    }

    loopCounter-&gt;i = 0;

    goto exit();
}
</code></pre>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="section-3">並列処理の確認</h2>
<ul>
  <li>Twice を使用し、Gears OS が実際に並列処理されているかどうかの確認を行った</li>
  <li>環境
    <ul>
      <li>Memory : 16GB</li>
      <li>CPU : 6-core Intel Xeon 2.66GHZ x 2</li>
    </ul>
  </li>
  <li>要素数 : 2^17 * 1000</li>
  <li>分割数 : 640 タスク</li>
  <li>1 Task 当たりの処理量 : 2^11 * 100 elements</li>
</ul>

<table border="1" align="center" width="50%">
  <tbody>
    <tr>
      <td style="text-align: center;">Number of Processors</td>
      <td style="text-align: center;">Time(ms)</td>
    </tr>
    <tr>
      <td style="text-align: center;">1 CPU</td>
      <td style="text-align: right;">1315</td>
    </tr>
    <tr>
      <td style="text-align: center;">2 CPUs</td>
      <td style="text-align: right;">689</td>
    </tr>
    <tr>
      <td style="text-align: center;">4 CPUs</td>
      <td style="text-align: right;">366</td>
    </tr>
    <tr>
      <td style="text-align: center;">8 CPUs</td>
      <td style="text-align: right;">189</td>
    </tr>
    <tr>
      <td style="text-align: center;">12 CPUs</td>
      <td style="text-align: right;">111</td>
    </tr>
  </tbody>
</table>

<ul>
  <li>1cpu と 12cpu では 11.8 倍の向上が見られた</li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="cerium-">Cerium との比較</h2>
<ul>
  <li>Cerium は本研究室で開発していた並列プログラミングフレームワーク</li>
  <li>Cerium では Task を依存関係に沿って実行することで並列実行を可能にする
    <ul>
      <li>本来 Task はデータに依存するもので Task 間の依存関係ではデータの依存関係を保証することが出来ない</li>
      <li>Gears OS の Task 中身は Code Gear になっており、必要な Input Data Gear が揃わない限り実行しないため、データの依存関係を保証できる</li>
    </ul>
  </li>
  <li>Task には汎用ポインタとしてデータの受け渡しを行う
    <ul>
      <li>型情報がなく、型の検査を行うことが出来ない</li>
      <li>Gears OS では 型情報をもつ Data Gear を定義</li>
    </ul>
  </li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="os-">既存の OS への対応</h2>
<ul>
  <li>Gears OS は従来の OS が行ってきたネットワーク管理、メモリ管理、並行制御などのメタな部分を Meta Code/Data Gear として定義</li>
  <li>通常の Code Gear から必要な制御を Meta Code Gear で行うことで従来のOSが行ってきた制御の提供を行う</li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="section-4">まとめ</h2>
<ul>
  <li>Code Gear、 Data Gear によって構成される Gears OS の基本的な機能として TaskQueue、 Persistent Data Tree、 Worker の実装を行った</li>
  <li>依存関係のない Twice を実装し、並列処理が行えることを確認した</li>
</ul>


</div>
<div class='slide '>
<!-- _S9SLIDE_ -->
<h2 id="section-5">今後の課題</h2>
<ul>
  <li>一般的に並列処理には依存関係が存在する
    <ul>
      <li>複雑な並列処理を実行できるようにするために Task Manager の実装を行い、  依存関係のある並列処理の例題を作成し、評価する</li>
    </ul>
  </li>
  <li>GPUなどの他のプロセッサ演算に利用することが出来ない
    <ul>
      <li>Data Gear などのデータをGPUにマッピングするための機構が必要</li>
    </ul>
  </li>
  <li>Gears OS でのデバック手法
    <ul>
      <li>継続はスタックを積まないため、スタックトレースを使わないデバック手法の考案</li>
      <li>並列処理でのデバック手法も考案する必要がある</li>
    </ul>
  </li>
  <li>型情報の検査
    <ul>
      <li>プログラムの正しさを保証するために Data Gear の情報を検査するシステムを Meta Computation として実装する</li>
    </ul>
  </li>
  <li>Contextの動的生成
    <ul>
      <li>今は静的に自分で生成している</li>
      <li>CbC 用の Runtime をつくり、 Context を動的に生成</li>
    </ul>
  </li>
</ul>
<!-- === end markdown block === -->
</div>


</div><!-- presentation -->
</body>
</html>
author	Tatsuki IHA <e125716@ie.u-ryukyu.ac.jp>
date	Wed, 01 Jun 2016 00:19:05 +0900
parents	cd38e09f980b
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