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1 Universität Karlsruhe (TH) Forschungsuniversität gegründet 1825 Cluster-Praktikum Sommersemester 2007 Transparent Replizierte Objekte in JavaParty Institut für Programmstrukturen und Datenorganisation Lehrstuhl Tichy

2 Bisher: Transparent entfernte Objekte Entfernte ("remote") Objekte sind auf einem bestimmten Knoten angelegt. können bei Bedarf umziehen (migrieren). werden an ihrem aktuellen Aufenthaltsort benutzt. verursachen Fernzugriff bei Verwendung. sind per (entfernter) Referenz überall zugreifbar. r r r r VM#1 VM#2 VM#3 ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 2

3 Bisher: Lokale Objekte Lokale Objekte sind auf den Knoten beschränkt, auf dem sie angelegt wurden. werden bei Übergabe in einem entfernten Methodenaufruf automatisch kopiert. sind nur lokal, dafür aber schnell und direkt zugreifbar. l l' l l' VM#1 VM#2 VM#3 ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 3

4 Neu: Transparent replizierte Objekte Replizierte Objekte sind auf allen Knoten lokal (als Kopie) verfügbar. werden immer lokal benutzt. werden über Synchronisation konsistent gehalten. gibt es pro Knoten genau einmal. p p p 1 p 2 p 3 VM#1 VM#2 VM#3 ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 4

5 Deklaration einer replizierten Klasse public replicated class P { public P(){...} // Konstruktor int[] x; // Instanzvariablen String l; // Referenz auf lokales Objekt R r; // Referenz auf entferntes Objekt P p; // Referenz auf entferntes Objekt static R sr; // statische Variable static P sp; // statische Variable } void foo(){...} // Instanz-Methode static void sfoo() // Klassen-Methode {...} ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 5

6 Benutzung einer replizierten Klasse P p = new P(); r.foo(p); p.foo(); // Erzeugung // Übergabe als Argument // Methodenaufruf shared synchronized(p) { // Geteilter Lesezugriff System.out.println(p.x[0]); } exclusive synchronized(p) { // Exklusiver Schreibzugriff p.l = "Hello World!"; } // forall n {0..N} collective synchronized(p) { // Kollektive Modifikation p.x[n] = computex(n); } ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 6

7 new P() Erzeugung eines replizierten Objekts Liefert Referenz auf das lokale Replikat. Echte Java-Referenz auf ein Objekt einer Klasse P mit allen Instanzvariablen und Methoden. Kein Proxy-Objekt vor dem Replikat Kein Umschreiben von Variablenzugriffen in get()- und set()-methoden Normale Zugriffsemantik wie auf jedes andere Java- Objekt: kein Kopieren! Implizit werden Replikate auf (allen) anderen Knoten der verteilten virtuellen Maschine erzeugt. ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 7

8 Referenzen auf replizierte Objekte Erzeugung liefert Referenz auf lokales Replikat. Genau ein Replikat pro Knoten bzw. VM. Replizierte Objekte sind von ihrem Verhalten halb lokal und halb entfernt: Wie bei einem lokalen Objekt: Nur lokal referenzierbar. Wie bei einem entfernten Objekt: Übergabe als Referenz in einem entfernten Methodenaufruf. Ersetzung der Referenz auf das Replikat während des Fernaufrufs. Replikate auf anderen Knoten sind nur mittelbar über ein entferntes Objekt referenzierbar. Ein repliziertes Objekt kapselt gemeinsam benutzten Zustand einer parallelen Berechnung. p p 1 p p 2 foo(p) r 3 foo(p) r 3 ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 8

9 Typisches Muster zur Erzeugung einer Verteilung Erzeugen des Replizierten Objekts ( gemeinsamer Zustand ) P p = new P(); Erzeugung von entfernten Objekten pro Knoten (z.b. Arbeiter ) for (int n = 0; n < nodecnt; n++) { } n */ r[n] = new R(p); Übergabe der Referenz auf das repl. Objekt Erzeugen paralleler Aktivitäten foreach n: new Thread(r[n]).start(); ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 9

10 Wie wird der Zustand repliziert? Zugriff auf ein Replikat passiert direkt, lokal. Leseoperationen liefern den Zustand des lokalen Replikats. Schreiboperationen modifizieren nur den Zustand des lokalen Replikats. Änderungen am lokalen Replikat zerstören (vorübergehend) die Konsistenz. Sicherstellen bzw. Wiederherstellen der Konsistenz der Replikate über Synchronisation! ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 10

11 Synchronisation an replizierten Objekten In Java: Synchronisation ist immer exklusiv. Übernahme dieses Konzepts in die verteilte Umgebung führt die Replikation ad absurdum. Replikation ist (unter anderem) nützlich für schnellen verteilten Lesezugriff. Wenn immer nur ein Zugriff gleichzeitig erlaubt wäre, ginge mögliche Parallelität verloren! Wenn vor jedem Zugriff alle anderen Replikate gesperrt werden müssten, wäre der Zugriff nicht mehr lokal! Vorhandene Synchronisationsprimitive unterstützen kein Protokoll, dass viele Leser, aber höchstens einen Schreiber zulässt. ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 11

12 Synchronisationsmodi für replizierte Objekte Paralleler, verteilt lokaler Lesezugriff Viele Leser über eine geteilte Sperre shared synchronized(p) { } replicated class P { shared synchronized int getx() {...} } Exklusiver lokaler Schreibzugriff mit anschließender Zustandsfortschreibung aller Replikate Ein Schreiber über eine exklusive Sperre exclusive synchronized(p) {...} exclusive synchronized void setx(int x) { } ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 12

13 Unterschiede zur Java- Synchronisation Bei replizierten Objekten muss Synchronisation immer an demjenigen Objekt stattfinden, dass geändert wird, bzw. dessen Zustand gelesen wird. Zustandsfortschreibung geschieht vor der Freigabe einer exklusiven Sperre für das Objekt, an dem synchronisiert wurde. Exklusive Synchronisation ist teuer. Egal, ob es Wettbewerb um die Sperre gibt, oder nicht. Exklusive Synchronisation ist mit Kommunikation verbunden! Geteilte Synchronisation ist (relativ) billig (entspricht Java-Synchronisation). ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 13

14 Kollektive Modifikation Replizierte Objekte unterstützen datenparallele Operationen. Viele (kollektive) Schreiber Regel: Der in mehreren Aktivitäten parallel modifizierte Zustand eines replizierten Objekts darf sich nicht überschneiden. Jede Aktivität ändert nur an einer Partition des Gesamtzustandes. Nach der Änderung werden die nebenläufigen Modifikationen zu einer neuen konsistenten Sicht verschmolzen. ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 14

15 Kollektive Modifikation an replizierten Objekten Kollektive Modifikationsschritte werden durch kollektive Synchronisation markiert. collective synchronized (p) { } Kollektive Synchronisation wird erreicht, indem alle Replikate parallel kollektiv synchronisiert werden. Der kollektiv synchronisierte Abschnitt kann erst dann betreten werden, wenn sich an jedem Replikat ein Thread kollektiv synchronisiert hat! Bevor die kollektive Synchronisation wieder verlassen wird, findet ein Mischen der nebenläufigen Änderungen statt. ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 15

16 Cave: Unverträglichkeit der Synchronisationsmodi Ein repliziertes Objekt darf zu einem Zeitpunkt entweder geteilt bzw. exklusiv... oder an allen Replikaten kollektiv... synchronisiert werden. Mischen von kollektiver Synchronisation und geteilt/exklusiver Synchronisation führt zur Verklemmung! Warum? ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 16

17 Signalisierung an replizierten Objekten In exklusiv oder geteilt synchronisierten Abschnitten kann auf eine Zustandsänderung gewartet werden: wait(); Nur in einem exklusiv synchronisierten Abschnitt kann zusätzlich zu einer Zustandsmodifikation ein Signal geschickt werden: notifyall(); Das Signal wird an alle Replikate ausgeliefert! Keine Schicken von Signalen in geteilt synchronisierten Abschnitten! Weder Warten noch Schicken von Signalen in kollektiv synchronisierten Abschnitten! ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 17

18 Zusammenfassung Replizierte Objekte... kapseln gemeinsamen Zustand einer verteilt parallelen Anwendung ( Viele Leser, höchstens ein Schreiber ).... können datenparallel modifiziert werden ( Viele kollektive Schreiber bzw. Leser ).... verhalten sich in der verteilten Umgebung ähnlich wie lokale Objekte... aber mit Referenzsemantik in entfernten Methodenaufrufen Synchronisation muss mit shared, exclusive, oder collective annotiert werden. ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 18

19 Ausblick (hier nicht besprochen) Partielle Replikation Bei großen Datenstrukturen ist es nicht wünschenswert alles überallhin zu replizieren Nur der Zustand, der lokal benötigt wird, soll auch lokal vorrätig gehalten werden Speicherplatz! Aufwand für die Zustandsfortschreibung Interna der Replikation Wie funktioniert die Referenzübergabe? Wie passiert die Zustandsfortschreibung? Wie ist die Verschmelzung von Änderungen möglich? ClusterPraktikum Th. Moschny, G. Malpohl, G. Szeder 19

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