%\input{/Users/e155753/.tex/setup}

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\chapter{Christieについて}

Christieは当研究室で開発している分散フレームワークである. Christieには分散プログラムを簡潔に書くための工夫が複数ある.
本章ではChristieについて述べる.
\section{Christieとは}
ChristieはJavaで書かれた分散フレームワークである. Christieは当研究室で開発している GearsOSに組み込まれる予定がある. そのため, GearsOS を構成する言語 Continuation based C と似た概念がある. Christie に存在する概念として次のようなものがある.

\begin{itemize}
\item CodeGear
\item DataGear
\item CodeGearManager
\item DataGearManager
\end{itemize}

CodeGearはクラス, スレッドに相当し, javaの継承を用いて記述する. DataGearは変数データに相当し, CodeGear内でアノテーションを用いて変数データを取り出せる. CodeGearManager はノードであり, DataGearManager, CodeGear, DataGear を管理する. DataGearManager は DataGear を管理するものであり, put という操作により変数データ, つまり DataGear を格納できる.
DataGearManagerのput操作を行う際にはLocalとRemoteと2つのどちらかを選び, 変数のkeyとデータを引数に書く. Localであれば,  Local のCodeGearManagerが管理しているDataGearManagerに対し, DataGearを格納していく. Remoteであれば接続したRemote先の CodeGearManagerのDataGearManagerにDataGearを格納できる. put操作を行ったあとは, 対象のDataGearManagerの中にqueueとして保管される. 
DataGearを取り出す際には, CodeGear内で宣言した変数データにアノテーションをつける. DataGearのアノテーションにはTake, Peek, TakeFrom, PeekFromの4つがある. 
\begin{description}
\item[Take] 先頭のDataGearを読み込み, そのDataGearを削除する. DataGearが複数ある場合, この動作を用いる.
\item[Peek] 先頭のDataGearを読み込むが, DataGearが削除されない. そのため, 特に操作をしない場合は同じデータを参照し続ける. 
\item[TakeFrom(Remote DGM name)] Takeと似ているが, Remote DGM nameを指定することで, その接続先(Remote)のDataGearManagerからTake操作を行える.
\item[PeekFrom(Remote DGM name)] Peekと似ているが, Remote DGM nameを指定することで, その接続先(Remote)のDataGearManagerからPeek操作を行える.
\end{description}

以上が, Christieの概要である.

\section{プログラミングの例}
ここでは, Christieで実際にプログラムを記述する例を述べる.
CodeGearManagerを作り, setup(new CodeGear)を動かすことにより, DataGearを待ち合わせ, DataGearが揃った場合にCodeGearが実行される. CodeGearManagerを作る方法はStartCodeGearを継承したものからcreateCGM(port) methodを実行することにより, CodeGearManagerが作られる. StartCodeGearのコードの例をソースコード\ref{code:StartHelloWorld}に示す.

\lstinputlisting[caption=StartHelloWorld,label=code:StartHelloWorld]{./src/HelloWorld/StartHelloWorld.java}


\section{TopologyManagerの実装}
Christieは当研究室で開発されたAliceを改良した分散フレームワークである. しかしAliceの機能を全て移行したわけではない. TopologyManagerは最たる例であり, 分散プログラムを簡潔に書くために必要である. そのため, ChristieにTopologyManagerを実装した.

ここでは, TopologyManagerとはどのようなものかを述べる. そして, TopologyManagerを実装する際に, Christie自身のコードを変更する必要があったため, TopologyManagerでどのような問題が起こり, Christieの基本機能をどのような変更したかも述べる.

TopologyManagerとは, Topologyを形成するため, 参加を表明したノード, TopologyNodeに名前を与え, 必要があればノード同士の配線も行うノードである. TopologyManagerのTopology形成方法として, 静的Topologyと動的Topologyがある. 静的Topologyはソースコード\ref{code:dot-example}のようなdotファイルを与えることで, ノードの関係を図\ref{fig:dot-example}のようにさせる. 静的Topologyはdotファイルのノード数と同等のTopologyNodeがあって初めて, CodeGearが実行される. 

\lstinputlisting[caption=ring.dot,label=code:dot-example]{./src/ring.dot}

\begin{figure}[H]
\centering
  \fbox{
   \includegraphics[scale=1]{./images/ring.pdf}
  }
\caption{ソースコード\ref{code:dot-example}, ring.dotを図にしたもの}
\label{fig:dot-example}
\end{figure}



動的Topologyは参加を表明したノードに対し, 動的にノード同士の関係を作る. 例えばTreeを構成する場合, 参加を表明したノードから順に, rootに近い位置の役割を与える. また, CodeGearはノードが参加し, parentに接続したあとに実行される.

TopologyManagerを実装するに当たって, 以下の2つの問題点が出た.

\begin{itemize}
\item Take, Peek操作でSuperClassの型を持ったデータを取り出す際にNullPointerExceptionが表示される.
\item ノード間で繋がる前にput操作を行うとデータが送られない.
\end{itemize}

Take, Peek操作でSuperClassの型を持ったデータを取り出す際にNullPointerExceptionが表示される問題に対しては, DataGearでdataを代入する際にSuperClass, interfacesまで比較するように書き換えた. また, 型の不一致が起こった際は例外を投げるようにした. その修正後のコードをソースコード\ref{code:datagear}に示す. 

\begin{lstlisting}[caption=修正後のDataGearのソースコード,label=code:datagear]
public class DataGear<T>{
   
    ...
   
    public void setData(T data) {
        Class dataClazz = data.getClass();

        if(dataClazz == this.clazz){
            this.data = data; return;
        }

        Class dataSuperClazz = dataClazz.getSuperclass();
        while (dataSuperClazz != null) {
            if(dataSuperClazz == this.clazz) {
                this.data = data; return;
            }
            dataSuperClazz = dataSuperClazz.getSuperclass();
        }

        Class<?>[] interfaces = dataClazz.getInterfaces();
        for (Class<?> interfaze : interfaces) {
            if(interfaze == this.clazz) {
                this.data = data; return;
            }
        }

        throw new ClassCastException("datagear cannot set class from " + dataClazz.getName() + " to " + clazz.getName());

    }

}
\end{lstlisting}

setDataメソッドの中身を変更した. TopologyNodeにおいて, 実行するCodeGearをputしておき, 参加するノードがすべて揃ったら, そのCodeGearを実行する. しかし, 実際には実行するCodeGearはCodeGearを継承したものである. Christieは, putされたdataのクラスとTakeされるデータのクラスが一致したならばdataを代入し, それ以外なら無視するという処理を行っていた. SuperClass, interfacesの型までは比較をしていなかっため, 型の不一致が起こり, dataの代入をしないため, NullPointerExceptionが表示されていた. 


ノード間で繋がる前にput操作を行うとデータが送られない問題に対しては, waitを付け加えた. そのコードをソースコード\ref{code:rdgm}に示す. 

\lstinputlisting[caption=修正後のRemoteDataGearManagerのソースコード,label=code:rdgm]{./src/RemoteDataGearManager.java}

具体的にはソースコード\ref{code:rdgm}の17行目から21行目にlockを付け加え, putメソッドの48行目にwaitするメソッドを置き, 54行目から63行目にwaitするメソッドを付け加えた. この問題は, ノードが繋がる前にconnection.writeを行うため, 相手のDataGearに書き込みが行われないために起きた. そのため, 相手とDataGearがつながるまでputメソッドをwaitしておき, つながってからconnection.write操作を行うように書き換えた.

\section{Christieにおけるブロックチェーンの実装の利点と欠点}

Christieにおいてブロック, トランザクション, Paxos, Proof of Workを実装した. 
その際, Christieで実装した場合の便利な点を述べる.

\begin{itemize}
\item データの取り出しが簡単. ChristieはDataGearという単位でデータを保持する. そのため, ブロックやトランザクションはDataGearに包めばいいため, どう送るかという問題を考えなくてすむ. 
\item TopologyManagerでのテストが便利. dotファイルが有れば, TopologyManagerが任意の形でTopologyを作れる. そのため, ノードの配置については理想の環境を作れるため, 理想のテスト環境を作ることができる. 
\item 機能ごとにファイルが実装できるため, 見通しが良い. ChristieはCbCのgotoと同じように関数が終わるとsetupによって別の関数に移動する. そのため自然に機能ごとにファイルを作るため, 見通しが良くなる.
\end{itemize}

不便な点を以下に述べる.

\begin{itemize}
\item デバッグが難しい. cgm.setupでCodeGearが実行されるが, keyの待ち合わせで止まり, どこのCodeGearで止まっているかわからないことが多かった. 例えば, putするkeyのスペルミスでコードの待ち合わせが起こり, CodeGearが実行されず, エラーなども表示されずにwaitすることがある. その時に, どこで止まっているか特定するのが難しい.
\item TakeFrom, PeekFromの使い方が難しい. TakeFrom, PeekFromは引数でDGM nameを指定する. しかし, DataGearManagerの名前を静的に与えるよりも, 動的に与えたい場合が多かった.
\item Takeの待ち合わせでCodeGearが実行されない. 2つのCodeGearで同じ変数をTakeしようとすると, setupされた時点で変数がロックされる. このとき, 片方のCodeGearはDataGearがすべて揃っているのに, すべての変数が揃っていないもう片方のCodeGearに同名の変数がロックされ, 実行されない場合がある. 
\end{itemize}




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%%文書終了****************************
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