[論文レビュー] A Language for the Declarative Composition of Concurrent Protocols

Luı́s Cruz-Filipe, Fabrizio Montesi|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2016

Logic, programming, and type systems参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、並行プロトコルの宣言的で、正しく構築された合成を可能にする新しい言語モデルである手続き的チャコグラフィー（PC）を紹介する。PCは、機械的に合成されたデッドロックのないプロセスを生成する手続きベースのチャコグラフィーを通じて、安全でモジュラーなプロトコル合成を実現し、従来のモデルにおけるプロトコル合成の確認が不十分でエラーが発生しやすいという重要なギャップを埋める。

ABSTRACT

A recent study of bugs in real-world concurrent and distributed systems found that, while implementations of individual protocols tend to be robust, the composition of multiple protocols and its interplay with internal computation is the culprit for most errors. Multiparty Session Types and Choreographic Programming are methodologies for developing correct-by-construction concurrent and distributed software, based on global descriptions of communication flows. However, protocol composition is either limited or left unchecked. Inspired by these two methodologies, in this work we present a new language model for the safe composition of protocols, called Procedural Choreographies (PC). Protocols in PC are procedures, parameterised on the processes that enact them. Procedures define communications declaratively using global descriptions, and programs are written by invoking and composing these procedures. An implementation in terms of a process model is then mechanically synthesised, guaranteeing correctness and deadlock-freedom. We study PC in the settings of synchronous and asynchronous communications, and illustrate its expressivity with some representative examples.

研究の動機と目的

• 現実世界のシステムにおいて、個々のプロトコル実装そのものではなく、それらの合成によって引き起こされる並行バグの増加という問題に対処すること。
• 従来のチャコグラフィックおよびセッション型モデルが手続き的抽象化を欠き、任意のプロトコル合成をサポートしないという制限を克服すること。
• 正しく構築され、デッドロックのない合成実装を保証する、宣言的でモジュラーなフレームワークを提供し、並行プロトコルの指定と合成を可能にすること。
• 通信と計算をカプセル化するパラメータ化された手続きを通じて、再利用可能でブラックボックスなプロトコルライブラリを可能にすること。
• 柔軟なネットワークトポロジーと接続の再利用をサポートし、先行研究の固定されたセッションモデルを超えること。

提案手法

• PCは、それらを実装するプロセスをパラメータ化した第一級の手続きとしてプロトコルを定義し、モジュラーかつ合成可能なプロトコル設計を可能にする。
• グローバルな視点からの「チャコグラフィック」記述に類似した方法で、グローバルな通信フローを宣言的に指定する。
• エンドポイントプロジェクション（EPP）メカニズムにより、グローバルなチャコグラフィーからローカルプロセスコードを機械的に合成し、型安全性と正しさを保証する。
• 同期的および非同期的通信の両方をサポートし、接続の再利用と動的な接続確立も可能である。
• PCはセッション型理論から継承したデッドロックの不在と通信の安全性を備えており、EPP定理（定理4.1）により証明されている。
• 手続き呼び出しを通じて任意の合成を可能にするが、手続き的抽象化を欠いた先行のチャコグラフィックモデルとは異なり、その制限を克服する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 並行プロトコルの合成を、順序や原子性のプログラマーの意図を保持したまま、安全でモジュラーに実現するにはどうすればよいか？
• RQ2 宣言的言語モデルが、正しさとデッドロックの不在を保証しつつ、任意のプロトコル実行の合成を可能にできるか？
• RQ3 手続き的抽象化をチャコグラフィックプログラミングに統合することで、再利用可能でブラックボックスなプロトコルライブラリを実現できるか？
• RQ4 接続の再利用と動的接続性の影響は、効率的で柔軟な分散システムにどのような意味を持つのか？
• RQ5 このモデルを、障害耐性のサポートとレガシーコードとの統合を可能にするように拡張するにはどうすればよいか？

主な発見

• PCは、先行のチャコグラフィックモデルが手続き的抽象化を欠いていたという点を克服し、パラメータ化された手続きを通じて、並行プロトコルの最初の宣言的でモジュラーな合成を実現した。
• エンドポイントプロジェクションによるプロセスコードの機械的合成により、生成されたすべての実装が正しく構築され、デッドロックのないことが保証される。
• PCは、実際に通信するプロセスのみを接続すればよいという点で、先行モデルが完全な通信グラフを仮定するのとは異なり、柔軟なネットワークトポロジーをサポートする。
• PCにおけるプロトコル実行は、既存の接続を再利用でき、より効率的な実装を可能にするとともに、動的な接続確立をサポートする。
• PCは同期的および非同期的通信を両方サポートし、明示的な並列演算子の大多数のユースケースを暗黙の並列性で捉えることができる。
• このアプローチにより、現実世界の並行バグの主な原因である複数のプロトコル間の相互作用を、初期段階から安全な合成によって効果的に解消できる。