[論文レビュー] libcppa - Designing an Actor Semantic for C++11

Dominik Charousset, Thomas C. Schmidt|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2013

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

libcppa は C++11 用の高水準なアクターモデルライブラリを提供し、メッセージ送信、パターンマッチング、軽量なスレッドプールスケジューラを通じて、安全で効率的な並列および分散プログラミングを可能にする。Akka や Scala Actors と比較してパフォーマンスとメモリ効率に優れ、リソース使用量が予測可能である。

ABSTRACT

Parallel hardware makes concurrency mandatory for efficient program execution. However, writing concurrent software is both challenging and error-prone. C++11 provides standard facilities for multiprogramming, such as atomic operations with acquire/release semantics and RAII mutex locking, but these primitives remain too low-level. Using them both correctly and efficiently still requires expert knowledge and hand-crafting. The actor model replaces implicit communication by sharing with an explicit message passing mechanism. It applies to concurrency as well as distribution, and a lightweight actor model implementation that schedules all actors in a properly pre-dimensioned thread pool can outperform equivalent thread-based applications. However, the actor model did not enter the domain of native programming languages yet besides vendor-specific island solutions. With the open source library libcppa, we want to combine the ability to build reliable and distributed systems provided by the actor model with the performance and resource-efficiency of C++11.

研究の動機と目的

• ミューテックスやアトミック演算子といった低レベルな C++11 並列プリミティブの複雑さと誤りの原因となる点を解消すること。
• メッセージ送信のパラダイムに基づくアクターモデルを用いて、C++ で信頼性が高くスケーラブルな並列および分散システムを構築できること。
• C++11 の最新機能（ラムダ式、型推論、std::bind など）を活用した高水準で表現力のある抽象化を提供すること。
• マルチコアおよび分散環境におけるメモリオーバーヘッドを最小限に抑え、パフォーマンスの予測可能性を確保すること。
• 言語の制限にもかかわらず、関数型プログラミングの概念（パターンマッチング、純粋関数）を C++11 の並列モデルに拡張すること。

提案手法

• C++11 のテンプレートとラムダ式を用いて、アクターベイハビアのための内部ドメイン固有言語（DSL）を設計すること。
• テンプレートメタプログラミングを用いてパターンマッチングを実装し、メッセージの型とフィールドの抽出を可能にし、簡潔なメッセージ処理を実現すること。
• 事前にサイズが決められたスレッドプールを用いてすべてのアクターをスケジューリングし、効率的なロードバランシングとスレッドの爆発的増加の防止を実現すること。
• 効率的でロックフリーのメッセージ配信と動作切り替えを可能にする独自のメッセージキューイングアルゴリズムを採用すること。
• C++ に組み込みの純粋関数やコンパイル時チェックがないため、慣習による不変性と純粋性の制約を強制すること。
• アクターベイハビア登録におけるラムダ式のキャプチャを制限し、ダングリング参照を防ぐ。型安全性ではなく、ランタイム保証に依存すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C++11 のライブラリ機能と現代的な言語機能のみを用いて、高水準なアクターモデルを効果的に実装できるか？
• RQ2 Akka や Scala Actors といった既存のフレームワークと比較して、C++11 を基盤とするアクターライブラリのパフォーマンスはどの程度か？
• RQ3 言語のネイティブサポートがなければ、C++11 でパターンマッチングをどの程度エミュレートできるか？
• RQ4 混合並列ワークロード下で、C++ アクターシステムにおけるメモリ使用量はどの程度予測可能で効率的か？
• RQ5 C++11 が関数型プログラミングの機能をネイティブにサポートしていないことによる、アクターシステム設計における主な制限は何か？

主な発見

• libcppa は、混合ワークロード下でも Akka や Scala Actors と比較して、メッセージスループットとレイテンシの両面で優れたパフォーマンスを達成している。
• メッセージ処理後に即座にメモリを解放するため、libcppa のメモリ消費量は一定で最小限に保たれ、Akka や Scala Actors よりも顕著に低い。
• libcppa のメモリフットプリントは Akka よりもより予測可能であり、安定したワークロード下でも 600 MB を超える予期しないピークを示さない。
• 10コアまで効率的にスケーリングされ、グローバルな最小レイテンシに達しており、ハードウェア並列処理の有効活用が示されている。
• テンプレートメタプログラミングによるパターンマッチングは、表現力があり読みやすいメッセージ処理を可能にするが、ネイティブサポートに比べて冗長である。
• C++11 が純粋関数のチェックやラムダ式の参照安全性を提供しないにもかかわらず、ランタイム保証と開発者の自己規律により正しさが確保されている。