[論文レビュー] dup -- Explicit un-sharing in Haskell

Joachim Breitner|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2012

Security and Verification in Computing参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、Haskellにおける2つの明示的でない共有解除操作、dupとdeepDupを導入し、ソースコードを変更せずに遅延データ構造内の共有を破断できるようにする。値をBox型でラップするか、ヒープに割り当てられたスロットを再帰的にコピーすることで、意図しない大規模データ構造の保持によって引き起こされるメモリリークを防ぎ、深さ優先探索のような場面で定数メモリ実行を可能にする。

ABSTRACT

We propose two operations to prevent sharing in Haskell that do not require modifying the data generating code, demonstrate their use and usefulness, and compare them to other approaches to preventing sharing. Our claims are supported by a formal semantics and a prototype implementation.

研究の動機と目的

• 意図しない大規模データ構造の共有によって引き起こされる遅延関数型プログラムにおけるメモリリークを解消すること。
• 元のデータ生成コードを変更せずに、プログラマーが直接制御可能な共有解除メカニズムを提供すること。
• 保持されたデータによるガベージコレクションのオーバーヘッドが問題となる性能最適化が必要なアプリケーションに対して実用的な解決策を提供すること。
• Launchburyの自然意味論を用いて共有解除操作の振る舞いを形式化し、その正しさを証明すること。
• 変更の加えられないGHCを対象としたプロトタイプ実装を通じて、実現可能性を示すこと。

提案手法

• 値をBox型でラップすることで、使用時に共有を破断するdupプリミティブを導入する。
• 入力値が参照するすべてのヒープに割り当てられたスロットを遅延的にコピーする再帰的バージョンであるdeepDupを提案する。
• クロージャをヒープ上でコピーするためのカスタムC--/Cmm実装を用い、評価順序を保持し、共有スロットが残らないようにする。
• すべてのポインタを処理するスタックベースのクロージャコピー・ループを採用し、新しいヒープに割り当てられたコピーを作成する。
• 静的スロットやコードセグメントを変更しないことで、ガベージコレクタを破壊しないランタイム機構を設計する。
• 変更の加えられないGHCと統合されたプロトタイプを実装し、互換性と正しさを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソース変換やコンパイラの変更なしに、Haskellで明示的でない共有解除を実現できるか？
• RQ2 遅延評価とガベージコレクションの存在下で、共有解除を安全に実装する方法は何か？
• RQ3 遅延評価の文脈におけるdupとdeepDupの形式的意味論は何か？
• RQ4 deepDupは、評価後に保持されたヒープオブジェクトが、戻り値が参照するもの以外には残らないことを保証できるか？
• RQ5 実際の応用において、dupとdeepDupを使用する際のパフォーマンスとメモリのトレードオフは何か？

主な発見

• プロトタイプ実装は変更の加えられないGHCと正常に統合され、走行例でメモリリークを正しく防止した。
• deepDupを用いることで、mainの最終行を削除した場合、メモリ使用量が4.189 GBから2 MBに低下し、有効な共有解除が実現した。
• Launchburyの自然意味論フレームワークにおける形式的意味論により、deepDupが評価後に保持されたヒープオブジェクトが戻り値が参照するもの以外には残らないことを証明した。
• 再帰的データ構造を正しく処理し、参照されるクロージャを遅延的にコピーすることで、共有スロットの問題を回避した。
• 純粋関数型コードに対しては安全であるが、unsafePerformIOやLazy I/Oを用いる場合には、複製されたスロットに副作用があるため破壊される可能性がある。
• 静的スロットは現在のところ複製されていないが、将来的なサポートのための拡張が論文で示唆されている。