Koala 例外処理拡張による実行時オーバーヘッドの評価

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(1)2006−EVA−16（6） 2006／3／20. 社団法人情報処理学会研究報告 IPSJ SIG Technical Report. Koala 例外処理拡張による実行時オーバーヘッドの評価殷中翔 †. 中西恒夫 ‡. 福田晃 ‡. † 九州大学大学院システム情報科学府〒 816-8580 福岡県春日市春日公園 6-1 ‡ 九州大学大学院システム情報科学研究院〒 816-8580 福岡県春日市春日公園 6-1 E-mail: †[email protected]， ‡ {tun，fukuka}@f.csce.kyushu-u.ac.jp あらまし組込み向けコンポーネントモデル Koala は，可変部分を有するソフトウェア構造の記述に優れ，プロダクトライン開発に適する．しかしながら Koala は，異常処理の扱いに不可欠の例外処理機構をもたないため，筆者らは過去に Koala への例外処理拡張を提案した．本稿ではさらに，当該例外処理拡張において例外発生時にパラメータの受け渡しを可能にするとともに，実行時オーバーヘッドの評価を行う．例外発生時の実行時オーバーヘッドは，C++ のそれと比較して，大幅に軽いものであった．. Implementation and Evaluation of An Exception Handling Model for The Koala Component Model Zhongxiang Yin†. Tsuneo Nakanishi‡. Akira Fukuda‡. † Graduate School of Information Science and Electrical Engineering， Kyushu Univ． ‡ Faculty of Information Science and Electrical Engineering， Kyushu Univ． E-mail: †[email protected]， ‡ {tun，fukuka}@f.csce.kyushu-u.ac.jp Abstract Koala, an embedded component model, is suitable for product line software engineering since it has ability to model variability in software structure. However, Koala does not equip with any exception handling mechanism though it is considered necessary for embedded software. We have proposed an approach to extend Koala for exception handling．In this paper，we additionally extend that exception handling mechanism to pass parameters along with exceptions. Moreover，we evaluate the runtime overhead associated with exception handling．The overhead caused by exception raising is proved reasonably less than that of C++.. 1. による再利用は，決して PLSE による再利用と排他的になされるものではなく，むしろ両者は組込みソフトウェア開発において，大規模化，同時に行うべきである．複雑化，高機能化に伴い，再利用技術の一層の組込み向けのコンポーネント技術は，これまで活用が望まれている. に Koala [3]，PECOS [4]，PBO [5]，TOPPERS 組込みソフトウェア分野における将来的な再コンポーネントモデル [6] 等が提案されている．利用の手段として，コンポーネントベース開発 Koala は Philips 社が提案したコンポーネントモ（CBSE: Component Based Software Engineer- デルであり，TV 受像機のプロダクトラインにお ing）[1]，およびプロダクトライン開発方法論ける使用実績がある．組込みシステムのために（PLSE: Product Line Software Engineering）[2] 部分評価による最適化，省メモリ対策等が施さが挙げられる．れていると同時に，Diversity Interface 等によっ CBSE は，コンポーネントと呼ばれるソフトてプロダクトライン開発を支援する仕組みも設ウェアの部品を，組み立ててシステムを開発すけられている．そこで本研究は，相違性の表現る手法である．CBSE はコードを対象とする再に優れ，PLSE との相性のよい Koala を研究対利用であるに対して，PLSE は，類似製品群の象とした．共通性/相違性に着目し，開発過程全般での設計組込みシステムのほとんどは，長期に渡って安資産の大規模かつ戦略的な再利用を図る. CBSE 定して動作することが望まれているため，よく. はじめに. −31− –1–.

(2) 設計された例外処理の提供が不可欠である．しかし，Koala ではビルドインの例外処理機構が提供されていない．我々は，Koala コンポーネントモデルを拡張し，例外処理の概念を導入した [7]．Koala では，インターフェース記述言語（IDL），ならびにコンポーネント内部の振舞の記述に C 言語を用いる．我々は IDL および C 言語に例外処理構文を追加し，例外処理コードの信頼性と可読性の向上を図った．本稿は，文献 [7] で提案した例外処理の拡張を概説し，同文献で提案した拡張 IDL 言語，C 言語を標準のものに変換する Koala プリプロセッサの実装と評価について述べる．2 節では Koala の例外処理拡張，3 節では Koala プリプロセッサの実装を説明する．4 節では例外処理拡張による実行時オーバーヘッドの評価を行う．最後に， 5 節で本稿をまとめる．. 子は，Provides インターフェースと呼ばれ，外部のコンポーネントに対してサービスを提供することを意味する．前者は関数呼出元を，後者は関数呼出先をモデル化したものである．インターフェースはインターフェース記述言語 (IDL:Interface Description Language) で記述される．図 1 のインターフェース pIf を IDL 言語で定義すると以下のようになる． interface IF { void foo(int p); int boo(void); }. アプリケーションの具体的な振舞は，モジュールに記述される．モジュールの実体は，C 言語のコードである．モジュールは，インターフェースの三角形底辺側と接続する場合，そのインターフェースが定義する関数を参照することが可能となり，インターフェースの三角形頂点側と接続する場合，そのインターフェースの定義する 2 Koala の例外処理拡張全ての関数を実装する必要がある． Koala 自体は例外処理機構を持たず，開発者 2.1 Koala の概要は例外処理を記述するためには，C 言語の標準 Koala アプリケーションは，複数のコンポーの制御構造を用いて記述するほかない．しかし，ネントによって構成される．コンポーネントは， C 言語は例外処理のための構文を持たないため，複数のインターフェースを持つことができ，そ複雑な制御を実現するには手間が掛かる．例外れらインターフェースを経由して外部環境との処理の不備の検出手段もないので，安全性の観点から好ましくない．これら不足を対処するに通信を行う．は，我々は Koala の例外処理機構を拡張する.. 2.2. 図 1: Koala の例図 1 は Koala のコンポーネントモデル図である．コンポーネントにつく，三角形のマークを伴う端子は，コンポーネントのインターフェースを意味している．コンポーネントの外に出る三角形マークを伴う端子は，Requires インターフェースと呼ばれ，外部のコンポーネントが提供するサービスを利用することを意味する．コンポーネントの中に入る三角形マークを伴う端. 例外処理拡張の提案. 例外処理モデル：提案する Koala 例外処理機構拡張では，アプリケーション全体で一意の名前で例外を表現する．例外を発行するときに，開発者が独自に定義した構造体をパラメータとして付随することもできる．コンポーネント利用者の視点から見た場合，他のコンポーネントからサービスを受けるときは，そのコンポーネントの Provides インターフェースに，自身のコンポーネントの Requires インターフェースを接続する．何かしらの理由でサービスを提供できない場合，そのコンポーネントは例外を発行するものとする．すなわち，例外は常に Provides インターフェースから Requires インターフェースに向けて発行される．我々は， Koala のコンポーネントモデルのインターフェース接続について，Requires インターフェースか. −32− –2–.

(3) ら Provides インターフェースへのサービス要求だけではなく，Provides インターフェースから Requires インターフェースへの例外の伝搬を表すものと，その意味を拡張する．また，より柔軟に例外に対応できるように， Termination 型復帰と Resumption 型復帰の両方に対応する． IDL 言語の拡張：前述の例外処理拡張を導入するために，Koala の IDL 言語を拡張する． IDL 言語において，関数を宣言する際，外部へ伝搬する例外も明記させるようにする．下記は拡張した IDL 言語でインターフェースを記述する例である．throws_t ex1 と throws_r ex2 は，それぞれ Termination 型例外 ex1 と Resumption 型例外 ex2 を発行することを意味する． Interface IF { void foo (int p) throws_t ex1; int boo (void) throws_r ex2; }. 行された場合，ex を処理する catch t 節を持つ， try 節入れ子構造で最も内側の try 節を検索する．検索した try 節の，例外 ex の catch t 節を実行し，実行後は当該 try 節の次の文に制御を移行する． throw_r ex, param; Resumption 型例外 ex を発行する．例外ハンドラの検索は throw t と同様であるが，例外ハンドラ実行完了後は，throw r 文の次に制御が移行される．今回本稿では，throw t，throw r 構文で例外にパラメータを付加し，catch t，catch r においてこれらパラメータを受け取るように，文献 [7] で提案した Koala 例外処理拡張をさらに拡張した．. 3. Koala プリプロセッサ. 拡張 IDL 言語と拡張 C 言語による記述を，標準の IDL 言語と C 言語に変換する Koala プリインターフェースの実現側は，明記されていプロセッサを導入する．ない例外を外部へ発行してはいけない．また，イ Koala プリプロセッサは，拡張 IDL 言語，拡ンターフェースの利用側は，外部へさらに伝搬張 C 言語による記述が構文的かつ意味的に正ししない限り，例外を処理する責任があり，利用側いか検査し，問題がなければ，例外処理コードに例外ハンドラが定義されていなければエラーを含む，等価な標準 IDL 言語，標準 C 言語によとして扱われる．る記述を生成する．紙面の都合上，拡張 IDL 言 C 言語の拡張：文献 [10] では C 言語に try/catch 語の変換は文献 [7] にゆずる．構文を導入しているが，我々も同文献と類似の図 1 で示した，Compo1，Compo2 の構成を例に，手法を採用し，Koala コンポーネントモデルの例外処理構文を伴う拡張 C 言語のコードの標準モジュール記述に使用する C 言語に，下記の構 C 言語コードへの変換を示す．変換のアルゴリズ文を導入することとした [7]．ムについては，例外ハンドラの検索については文 try {...} 献 [9] で提案されたアルゴリズム，Resumption try 節は，後続の catch 節に記述される例外型例外処理の実現については文献 [11] 掲載のアハンドラのスコープを定める．例外の発生するルゴリズムを参考にした．可能性があるコードを中括弧の中に置く．図 2 は変換前の拡張 C 言語によるコードで catch_t (ex，param) {...} ある． catch t 節は，指定された Termination 型例外例外 EX1 について，図 3 で示すような例外管 ex を処理する例外ハンドラを定義する例外 ex 理構造体を定義し，さらに，例外管理構造体をが発行されると，制御は該当 catch t 節に移行格納するスタックをひとつ用意する．し，例外処理が行われる．また，param 経由で Compo1 において，例外 EX1 を処理する catch_t 例外に付随するパラメータを参照できる．節が，関数 catch_nnn として分離される．EX1 catch_r (ex，param) {...} を処理する catch_t/catch_r 節は複数存在する catch r 節は，指定された Resumption 型例外場合もあるので，それらを区別するため，関数 ex を処理する例外ハンドラを定義する．記述方名に一意の番号 nnn を接尾辞としてつける．法は catch t 節と同様である． try 節進入時は，setjmp を用いて，例外ハンド throw_t ex, param; ラからの Termination 型復帰に備えて，現在の Termination 型例外 ex を発行する．param は実行環境を例外管理構造体のメンバ env に保存す例外に付随するパラメータである．例外 ex が発る．このときの setjmp の戻り値は 0 であり，例 −33− –3–.

(4) /* Compo1_Module1 */ void fun () { EX1_PARAM *param; ... try { rIf_foo (); } catch_t (EX1, param) { ... } }. 関数 catch_nnn の内容は，Termination 型と Resumption 型では異なる．Termination 型の場合，例外処理終了後 longjmp を用いて，対応する try 節の入口に制御を移行する（10 行）．setjmp の戻り値が 0 以外の値となるように，実引数に −1 が指定されていることに注意されたい．一方， Resumption 型の場合はそのまま throw_r の直後に復帰する．また，例外に付随するパラメータは，例外管理スタックのトップ要素から取得できる（2–3 行）．. /* Compo2_Module2 */ void pIf_foo () { EX1_PARAM param; ... throw_t EX1, param; ... }. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11. 図 2: 変換前の拡張 C 言語の例 typedef struct _EX1_INFO { EX1_PARAM param; jmp_buf env; void (* exhandler)(); ... } EX1_INFO;. 図 3: 例外管理構造体外管理構造体のメンバ exhandler に catch_nnn のアドレスを保存し，EX1 用の例外管理スタックに push し（6–7 行），try 節内部を実行する．例外が発生するか否かに関わらず，try 節進入時に push された例外管理構造体は，try 節から脱出する際にスタックから pop される（13 行）． Termination 型例外が発生した場合は，例外ハンドラ実行後に，setjmp からの復帰として， setjmp の直後，さらに 13 行に制御が移される．この例において，catch 節は一つしかないので例外管理構造体の push/pop 操作は 1 回で済むが，複数ある場合はその数だけ push/pop 操作が必要である． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14. void fun () { EX1_INFO info; ... int ret = setjmp (info.env); if(ret == 0) { info.exhandler = catch_nnn; EX1_push (info); /* try 節内部はじまり */ rIf_foo (); /* try 節内部おわり */ } EX1_pop ();. void catch_nnn () { EX1_INFO info = EX1_top(); EX1_PARAM *param = &info.param; /* catch_t 節内部はじまり */ ... /* catch_t 節内部おわり */ /* catch_r 構文の場合は省略 */ longjmp (info.env, -1); }. 拡張 C 言語の throw t 文は Termination 型例外の発行を意味する．当該例外に対応する例外管理構造体スタックのトップ要素には，当該例外を処理する catch 節を有する try 節進入前に push された，例外管理構造体がある．そのメンバ param に，throw t の例外パラメータを保存する（2–5 行）．さらに，メンバ exhandler に格納されている例外ハンドラのアドレスを取得し，例外ハンドラを呼び出す（6 行）. 1 void pIf_foo () { 2 EX1_PARAM param; 3 ... 4 EX1_INFO* info = &(EX1_top()); 5 info->param = param; 6 info->exhandler(); 7 ... 8 }. Resumption 型例外を発行する throw r 文も同様の変換を行う．. 4. 実行時オーバーヘッドの評価. 本節では，Koala プリプロセッサにより生成する，C 言語コードを実行速度，メモリ消費量の面から評価する．. }. –4– −34−.

(5) 4.1. 明らかに例外処理構文の実行時オーバーヘッドをもたらしているが，示されているデータは図 1 で示した Compo1，Compo2 の構成を例に，例外が発生した場合での実行時間であることに図 2 で示したコードに基づき，Termination 型注意されたい．現実には例外は頻発するものでと Resumption 型例外を個別に評価するプログはない．また，C++の例外発生時のオーバヘッラムを作成する．評価プログラムを図 4 に示す．ドはかなり大きい． 1 for (int i=0; i<10; i++) { さらに，try/catch の入れ子構造が実行スピー 2 T0 = ... /* 開始時刻 */ ドへの影響を調べるために，下記関数 f1 を定義 3 for (int j=0; j<10000000; j++) { 5 行で発行する例外を変更することによっする． 4 /* 図 2 の try/catch 節 */ て，try 節の入れ子の深さが調整できる．例えば， 5 /* (try 節内で例外 EX1 を発行) */ 6 ... EX1 を発行する場合の深さは 1 であり，EX3 を 7 } 発行する場合の深さは 3 となる．. 実行速度. 8 9 10. T1 = ... /* 終了時刻 */ T = T1 - T0;. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12. }. 図 4: 評価プログラムの概要すなわち，内側のループでは，例外処理を 10,000,000 回実行させ，実行時間 T を計測する．外側のループでは T をさらに 10 回計測し，その平均値を最終の実行時間とする． Koala プリプロセッサが生成する C 言語のコードに対して，PC における実行時間の計測を行う．比較のために，例外を発行しない場合（try/catch 節があるが throw 文がなし），例外処理なしの場合（try/catch 節，throw 文ともになし），ならびに C++言語の例外処理構文を用いて上記評価プログラムを実装する場合の実行時間も測定する．C++は Termination 型の例外しか処理できないため，Resumption 型例外処理における実行時間の比較はしていない．測定環境は以下の構成である．CPU：AMD Athlon XP 2000+（動作周波数：1.67 GHz），メモリ：512M，OS：Fedora Core 4.0（Linux 2.6），コンパイラ：GCC-4.0.2，最適化オプション：-O3．測定結果を表 1 で示す．表 1 における括弧中の数字は，例外を発行しない場合の実行時間を示す．表 1: PC における実行時間（単位:ミリ秒） Koala 例外処理拡張例外処理 C++言語 TerminResumpなし Termination 型. tion 型. 67 (23). 33 (23). ation 型. 2. void f1(void) { try { try { try { throw_t EX?; } catch_t (EX1) { } } catch_t (EX2) { } } catch_t (EX3) { } }. 評価するときに，図 4 の 4 行目から f1() を呼び出し，入れ子の深さを調整しながら，実行時間を測定する．測定結果は表 2 の通りである．表 2: 入れ子の深さと実行時間の関係（単位:ミリ秒）入れ子の深さ. Termination 型. Resumption 型. 1. 103. 70. 2. 116. 74. 3. 120. 75. 測定結果によると，入れ子の深さの増大につれて，実行速度が若干落ちることがわかる．. 4.2. メモリ消費量. 提案例外処理機構のメモリ消費量 C は，式 1 で表すことができる．. 8865 (2). Termination 型の例外を処理する際に，setjmp と longjmp を一回ずつ呼び出すに対して，Resumption 型の例外の場合，setjmp を一回しか呼び出していない．そのため，後者の実行時間は前者の半分ぐらいに短縮される．. C=. Ne . Dk × Sk. (1). k=1. Ne は定義された例外の数である．Dk は，例外 EXk の入れ子構造の最大深さ，すなわち例外 EXk に関連づけられる例外管理構造体スタック. –5– −35−.

(6) の長さを示す．Sk は，図 3 で定義された例外管 for Consumer Electronics Software,” IEEE Computer, Vol.33, No.3, pp.78–85, Mar. 2000. 理構造体 EX INFO のサイズであり，例外 EXk に付随するパラメータのサイズ Pk に決定される． [4] O. Nierstrasz, S. Ducasse, R. Wuyts, G. Arévalo, A. Black, P. Muller, C. Zeidler, T. メモリ消費量の計算例を示す．. Ne. 5. Genssler, and R. v. d. Born, “A Component Model for Field Devices,” Proc. IFIP/ACM Working Conf. on Component Development, pp.200–209, 2002.. 表 3: メモリ消費量 Dk Pk メモリ消費量 (bytes) (bytes). 8. 3. 4. 960. 8. 3. 8. 1920. 16. 5. 8. 3200. 16. 5. 16. 3840. 32. 5. 8. 6400. 32. 5. 16. 7680. [5] D. B. Stewart, R. A. Volpe, and P. K. Khosla, “Design of Dynamically Reconfigurable RealTime Software Using Port-Based Objects,” IEEE Trans. on Software Engineering, Vol.23, No.12, pp.759–776, Dec. 1997. [6] 山本将也, 高田広章, 大山博司, 「組込みシステムに特化したコンポーネント仕様の実装と評価」, ソフトウェアシンポジウム 2005 論文集, pp.61–68, 2005 年 6 月. [7] 殷中翔, 中西恒夫, 福田晃, 「組み込みコンポーネントにおける例外処理機構の一実装」, 組込みシステム合同研究会論文集, pp. 2-9, 2006 年 1 月．. まとめ. 本稿では，組込みコンポーネントモデル Koala に対する，例外処理機構の拡張について述べた． Koala では，インターフェース記述言語（IDL），ならびにコンポーネント内部の振舞の記述に C 言語を用いる．文献 [7] では，IDL および C 言語に例外処理構文を追加することによって，例外処理機構を持たない Koala に例外処理機構を設けた．本稿ではさらに，当該例外処理機構において，例外発生時にパラメータの受け渡しを可能にするとともに，拡張された IDL 言語と C 言語から，標準の IDL 言語と C 言語に変換する Koala プリプロセッサの概要を示した．最後に，実行スピードおよびメモリ消費量の側面から，例外処理によるオーバーヘッドを評価した結果，比較的軽い動作を実現することが分かった．今後は，例外ハンドラにおいてローカル変数が参照できない制約を緩和するとともに，提案例外処理機構に finally 等付加構文の追加や，オーバヘッドを軽減する手法について検討したい．. [8] J. Lang and D. B. Stewart, “A Study of the Applicability of Existing Exception-Handling Techniques to Component-Base Real-Time Software Technology,” ACM Trans. on Programming Languages and Systems, Vo.20, No.2, pp.274–301, Mar. 1998. [9] J. Lang, “An O(1) Distributed Exception Handling Mechanism for Dynamically Reconfigurable Real-Time Software,” M. Thesis, Graduate School of the University of Maryland, 1997. [10] N. H. Gehani, “Exceptional C or C with Exceptions,” Software: Practice and Experience, Vol.22, No.10, pp.827–848, Oct. 1992. [11] B. Stroustrup, The C++ Programming Language, Addison-Wesley, 2000.. 参考文献 [1] C. Szyperski, D. Gruntz, and S. Murer, Component Software: Beyond Object-Oriented Programming, 2nd Ed., Addison-Wesley / ACM Press, 2002. [2] P. Clements and L. M. Northrop, Software Product Lines: Practices and Patterns, Addison-Wesley, 2001. [3] R. v. Ommering, F. v. d. Linden, J. Kramer, and J. Magee, “The Koala Component Model. −36− –6–E.

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