[論文レビュー] First-Class Functions for First-Order Database Engines

Torsten Grust, Alexander Ulrich|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2013

Advanced Database Systems and Queries参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

この論文では、関数を値として扱い、引数として渡され、高階関数から返される第一級関数をネイティブに実行できるようにする、非侵襲的な変換であるクエリ・デファンクショナライゼーションを提案する。関数クロージャーをデータ構造として符号化し、関数呼び出しをテーブルに似たディスpatchメカニズムに置き換えることで、標準のリレーショナルエンジン上でXQuery 3.0およびPL/SQL風の関数的クエリを効率的かつ正確に実行可能にする。実験的結果から、優れたパフォーマンスと正しさが示された。

ABSTRACT

We describe Query Defunctionalization which enables off-the-shelf first-order database engines to process queries over first-class functions. Support for first-class functions is characterized by the ability to treat functions like regular data items that can be constructed at query runtime, passed to or returned from other (higher-order) functions, assigned to variables, and stored in persistent data structures. Query defunctionalization is a non-invasive approach that transforms such function-centric queries into the data-centric operations implemented by common query processors. Experiments with XQuery and PL/SQL database systems demonstrate that first-order database engines can faithfully and efficiently support the expressive "functions as data" paradigm.

研究の動機と目的

• XQuery 3.0 や PL/SQL のような現代のクエリ言語で第一級値として扱われる第一級関数を、原子値やデータ構造を想定した第一級データベースエンジンがネイティブにサポートできるようにすること。
• 従来のデータベースコアが原子値、シーケンス、XMLノードしか表さない中で、関数値に対するネイティブなランタイムサポートの欠如に対処すること。
• 関数的クエリの意味を保持しつつ、標準のリレーショナル代数操作にマッピングする非侵襲的な変換技術を提供すること。
• 既存の第一級エンジンが、ランタイム言語拡張やカーネル変更なしに、高階関数や関数リテラルを含む表現力豊かな関数的クエリパターンを効率的かつ正確に実行できることを示すこと。

提案手法

• クエリ・デファンクショナライゼーションは、関数リテラル、名前付き関数参照、動的呼び出しといった関数的構造を、一意のラベルを持つクロージャー構築子を用いてデータ中心の表現に変換する。
• 関数リテラルは、クロージャー作成時に束縛された自由変数をキャプチャするラベル付きクロージャーとして符号化され、値のタプルとして表現される。
• 関数呼び出しは、クロージャーのラベルをその対応する本体と環境にマッピングするケース・オブ・ブランチテーブルを用いたディスパッチ機構に置き換えられる。
• 変換は構文駆動的かつ全クエリ的であり、関数宣言とその自由変数を含むクエリの全コンテキストを分析することで意味的整合性を保証する。
• このアプローチは、XQuery 3.0 および PL/SQL に特に適応された、プログラミング言語理論のデファンクショナライゼーション技術を活用し、高階構造を第一級リレーショナル操作にマッピングする。
• 変換はソース・ツー・ソースのコンパイラ・パスとして実装されており、クエリの意味を保持しつつ、標準のデータベースエンジン上で実行可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランタイム言語拡張やカーネル変更なしに、第一級データベースエンジンが第一級関数をネイティブにサポートできるか。
• RQ2 高階関数、関数リテラル、クロージャーといった関数的クエリパターンを、同等の第一級リレーショナル操作に忠実に変換する方法は何か。
• RQ3 標準のデータベースエンジン上で複雑な関数的クエリを実行する際、デファンクショナライゼーションによって導入されるパフォーマンスのオーバーヘッドは何か。
• RQ4 マップ、フォールド、および関連マップといった関数的プログラミングのイディオムが、XQuery や PL/SQL でどれほど表現力と明確さを保ったまま変換できるか。
• RQ5 ネストされたクロージャーや fold-right といった高階抽象化を含む多様なクエリパターンに、この変換を一貫して適用できるか。

主な発見

• クエリ・デファンクショナライゼーションは、第一級関数を含むXQuery 3.0およびPL/SQLクエリを、同等の第一級リレーショナル操作に成功して変換し、標準のデータベースエンジン上で実行可能にした。
• 実験により、関数リテラルを用いた fold-right や map の実装といった複雑な関数的イディオムが忠実に実行されることで、意味的正しさが裏付けられた。
• XQueryおよびPL/SQLシステムにおける実験から、デファンクショナライズドクエリはネイティブな関数的実装と同等のパフォーマンスを達成しており、最小限のオーバーヘッドであった。
• このアプローチにより、キーから値への関数としてのマップを直接実装でき、図3の同等のXMLベースのデータ構造よりもより簡潔で宣言的になった。
• ラベル付きディスpatchテーブルによるクロージャー表現は、効率的な関数呼び出しを可能にし、外側スコープの自由変数をキャプチャしたネストされたクロージャーもサポートする。
• この方法は非侵襲的かつ再利用可能であり、下位のクエリエンジンの変更なしに、さまざまなデータベースシステムに適用可能である。