遠隔手続き呼び出し(RPC)の基本概念

情報学類 分散システム					2008年12月25日

                                       筑波大学システム情報工学研究科
                                       コンピュータサイエンス専攻, 電子・情報工学系
                                       新城 靖
                                       <yas@is.tsukuba.ac.jp>

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■今日の大事な話

スタブ
call-by-value
バインディング

谷口秀夫 (編), 谷口秀夫, 佐藤一朗, 佐藤文明, 柴田義孝, 新城靖, 横山和俊 (著): "情報処理学会編集 IT Text 分散処理", オーム社 (2005年9月). ISBN: 4274201333.

第２章基盤技術 (新城) 2.6節遠隔手続き呼出し

■クライアント・サーバ・モデル

プロセス間通信を構造化したもの。クライアント・サーバ・モデルに基づく通信の実装方法

send(), receive() を直接使う。
do_operation(), get_request(), send_reply() 等のクライアント・サーバ・モデルに専用の通信プリミティブを使う。
RPC を利用する。

クライアント・サーバ・モデルに基づくプロセス間通信のうち、手続き呼出しの形に見えたら RPC (Remote Procedure Call)。

■遠隔手続き呼び出し（RPC）

手続き呼出しの形でプロセス間通信を行う方法。 1984年 Birrel and Nelson。

◆スタブによるRPCの実現

例：手続き put()。ハッシュ表にデータを格納する手続きで、引数にキーとなる文字列と値となる整数を取る。

図? スタブによるRPCの実現

特徴

サーバ側のプログラムを書く人は、手続き(put())を定義する。
クライアント側(main()関数)のプログラムを書く人は、手続き(put())を呼び出すプログラムを書く。

スタブの働きで、クライアント側のプロセスとサーバ側のプロセスは、自動的にプロセス間通信を行うことができる。

クライアント側スタブ

引数と結果は、サーバ側のものと同じである。
内容は、要求メッセージの送信(send())、応答メッセージの受信 (receive())を含む。
要求メッセージを、引数を整列化(marshaling)して作成する。応答メッセージを非整列化(unmarshaling) し、それを手続きの返り値として呼出した関数に返す。

サーバ側スタブ

無限ループを含む。
普段は要求メッセージの受信 receive() で止まっている。要求メッセージを受け取ると、それを非整列化し、非整列化した結果を引数として、目的の手続き(put())を呼び出す。
目的の関数から返ってくると、その返り値を整列化し、応答メッセージとしてクライアントに返す。

◆スタブの作り方

手書き
インタフェースを与えて自動生成

◆スタブの自動生成

インタフェース記述の例: ハッシュ表

typedef string key_t<256>;
struct keyvalue_t { 
   key_t key; 
   int   value ;
};
typedef key_t  keyarray_t<>;

program HASHTABLE_PROG { 
   version HASHTABLE_VERSION {
       int        PUT(keyvalue_t)  = 11 ; 
       int        GETVALUE(string) = 12 ; 
       keyarray_t GETKEYS(void)    = 13 ; 
   } = 1 ;
} = 0x20051001 ;

インタフェース定義をスタブ生成器に与えると、クライアント側スタブ、サーバ側スタブが自動的に生成される。

インタフェース記述の内容

型定義
- 構造体の定義
手続きの定義
- 名前
- 引数の型
- 結果の型
- 手続きの番号、バージョン番号、プログラムの番号

自動生成されるもの

クライアント側スタブのプログラム
サーバ側スタブのプログラム
構造体や手続きの引数の型を定義したヘッダファイル
構造体等利用者定義のデータを整列化／非整列化する手続き

◆遠隔手続き呼び出しのまとめ

ある手続きがクライアント側スタブを通常の方法で呼び出す。
クライアント側スタブは、引数を整列化することでネットワーク用のメッセージを作成し、そのローカルのオペレーティング・システムを呼び出す。
クライアント側のオペレーティング・システムは、メッセージをリモートのサーバ側のオペレーティング・システムに送る。
サーバ側のオペレーティング・システムは、メッセージをサーバ側のスタブに渡す。
サーバ側のスタブは、メッセージを非整列化することで引数を取り出し、サーバ側の手続きを呼び出す。
サーバ側の手続きは、その仕事を行い、結果をサーバ側スタブに返す。
サーバ側スタブは、結果を整列化することでネットワーク用のメッセージを作成し、そのローカルのオペレーティング・システムを呼び出す。
サーバ側のオペレーティング・システムは、そのメッセージをクライアントに送る。
クライアント側のオペレーティング・システムは、メッセージをクライアント側スタブに渡す。
クライアント側スタブは、メッセージを非整列化して、結果を取り出し、その結果を呼び出された手続きに返す。

◆遠隔手続き呼び出しと通常の手続き呼出しの違い

遠隔手続き呼び出しの意味「意味(semantics)」を、通常の手続き呼出しと同じ (透明)にしたい。しかし、完全に同じ「意味」を提供にすることは難しい。

RPCでは、引数はコピーが基本。ポインタが渡せない。
RPCでは、「バインディング」が必要。
RPCでは、通信に時間がかかる。
(RPCでは、メッセージが失われる、クライアントが落ちる、サーバが落ちるなどの障害に対する対策が必要になる。)
(RPCでは、アクセス制御や認証が必要が必要になる。)

◆通常の手続き呼出し

プログラミング言語における手続き呼出しでの引数の渡し方

call-by-value (値呼び)
call-by-reference (参照呼び)
call-by-name (名前呼び)
call-by-copy/restore (Fortran方式)
Ada in out

プログラム言語によって、方法が違う。

	intなど基本型	構造体	オブジェクト	配列
C言語	値	値	-	自動ポインタ値化^*
Java	値	-	参照	参照

^* C言語の配列を「参照呼び」と説明している教科書もある。

言語が持つ意味を、RPCでは再現できないことがある。

◆call-by-value

C言語の通常の方式。変数の値のコピーが渡される。

   1:	#include <stdio.h>
   2:	
   3:	int square( int a ) {
   4:	    a =  a * a ;
   5:	    return( a );
   6:	}
   7:	
   8:	main() {
   9:	    int x, y, result;
  10:	    x = 10;
  11:	    y = 20;
  12:	    result = square( x );
  13:	    printf("x==%d, result==%d\n", x, result);
  14:	    result = square( y++ );
  15:	    printf("y==%d, result==%d\n", y, result);
  16:	}

実行結果

% make square-value 
cc     square-value.c   -o square-value
% ./square-value  
x==10, result==100
y==21, result==400
%

◆call-by-reference

C++ の参照型は、call-by-reference に近い。

   1:	#include <stdio.h>
   2:	
   3:	int square( int &a ) {
   4:	    a =  a * a ;
   5:	    return( a );
   6:	}
   7:	
   8:	main() {
   9:	    int x, y, result;
  10:	    x = 10;
  11:	    y = 20;
  12:	    result = square( x );
  13:	    printf("x==%d, result==%d\n", x, result);
  14:	//  result = square( y++ );
  15:	//  printf("y==%d, result==%d\n", y, result);
  16:	}

実行結果。引数で渡した変数 x の値が書き換えられている。

% make square-ref 
g++     square-ref.cc   -o square-ref
% ./square-ref  
x==100, result==100
%

C++の参照型では、引数には、変数しかかけない。y++ のような式では、コンパイル時にエラーになる。

% cat -n square-ref.cc 
     1  #include <stdio.h>
     2
     3  int square( int &a ) {
     4      a =  a * a ;
     5      return( a );
     6  }
     7
     8  main() {
     9      int x, y, result;
    10      x = 10;
    11      y = 20;
    12      result = square( x );
    13      printf("x==%d, result==%d\n", x, result);
    14      result = square( y++ );
    15      printf("y==%d, result==%d\n", y, result);
    16  }
% make square-ref 
g++     square-ref.cc   -o square-ref
square-ref.cc: In function 'int main()':
square-ref.cc:14: error: invalid initialization of non-const reference of type 'int&' from a temporary of type 'int'
square-ref.cc:3: error: in passing argument 1 of 'int square(int&)'
make: *** [square-ref] Error 1

C++の参照型は、プログラムが読みにくくなるので使ってはいけない。

main() {
   int x ;
   x = 10 ;
   f( x );
   printf("%d\n",x);
}

C言語のレベルでは、f(x) と呼んでも、決して x の値は、変化しない。C++の参照型を使えば、f() の型宣言を見ないと、変化するか変化しないかわからない。「型宣言を見る」という手間の分だけ、プログラムが読みにくくなる。全部の関数について、見ていたら疲れる。

◆ポインタ

「参照」は、ポインタに似ている。ただし、Ｃ言語で渡されるのは、ポインタのコピー(値)が渡される。

   1:	#include <stdio.h>
   2:	
   3:	int square( int *a ) {
   4:	    *a =  *a * *a ;
   5:	    return( *a );
   6:	}
   7:	
   8:	main() {
   9:	    int x, y, result, *xp, *yp;
  10:	    x = 10; xp = &x;
  11:	    y = 20; yp = &y;
  12:	    result = square( xp );
  13:	    printf("x==%d, result==%d, &x==0x%x, xp==0x%x\n", 
  14:	           x, result, &x, xp);
  15:	    result = square( yp++ );
  16:	    printf("y==%d, result==%d, &y==0x%x, yp==0x%x\n", 
  17:	           y, result, &y, yp);
  18:	}

% make square-pointer 
cc     square-pointer.c   -o square-pointer
% ./square-pointer  
x==100, result==100, &x==0xbffff534, xp==0xbffff534
y==400, result==400, &y==0xbffff538, yp==0xbffff53c
%

C++の参照型は、プログラムが読みにくくなるので使ってはいけないが、 C言語のポインタ渡しは、使ってもよい。

main() {
   int x ;
   x = 10 ;
   f( &x );
   printf("%d\n",x);
}

C言語のレベルでは、f(&x) と&を付けた段階で、 f() の内容を知らなくてもx の値が変化することが推察される。値が変化する可能性について、ポインタを渡している関数だけ注意すればよい。

◆配列

C言語では、配列を引数に渡す場合には、自動的にポインタ（先頭要素の番地）に変換される。次のプログラムでは、どれも関数 f() に同じ値（配列の先頭番地）を渡している。配列の名前を書いても、& を書いたものと同じになる。

main() {
   int a[10] ;
   f( a );
   f( &a );
   f( &a[0] );
}

配列を自動的にポインタに変換する歴史的な理由

遅いプログラムを書きにくくするため。配列を値で渡すには、全部の要素をコピーする必要があるが、コピーは遅い。
配列の要素数をコンパイラが知らないことがある。
配列とポインタを混在させるプログラミング・スタイルが定着している。

◆マクロ展開

call-by-name は、C言語のマクロ展開に近い意味がある。

   1:	#include <stdio.h>
   2:	
   3:	#define square( a ) ((a)*(a))
   4:	
   5:	main() {
   6:	    int x, y, result;
   7:	    x = 10;
   8:	    y = 20;
   9:	    result = square( x );
  10:	    printf("x==%d, result==%d\n", x, result);
  11:	    result = square( y++ );
  12:	    printf("y==%d, result==%d\n", y, result);
  13:	}

実行結果。y++ と 1 度書いただけなのに、2 増えている。

% make square-macro 
cc     square-macro.c   -o square-macro
% ./square-macro  
x==10, result==100
y==22, result==400
%

マクロ展開だけして止めてみるとわかる。

% cc -E square-macro.c > square-macro.i 
% wc  square-macro.i 
     421    1135    9164 square-macro.i
% tail -13 square-macro.i  
# 2 "square-macro.c" 2



main() {
    int x, y, result;
    x = 10;
    y = 20;
    result = ((x)*(x));
    printf("x==%d, result==%d\n", x, result);
    result = ((y++)*(y++));
    printf("y==%d, result==%d\n", y, result);
}
%

◆call-by-value-restore

関数呼出し時に、引数で指定された変数を作業領域にコピーする。
関数から戻ってくる時に、コピーしもどす。

古い Fortran の実装。コンパイル時に変数がすべて決まる。スタックに引数を置かなくてもよい。再帰がなかったので、そもそもスタックが不要で、戻り番地を手続きごとの変数に書いていた。

   1:	#include <stdio.h>
   2:	
   3:	int square_a;
   4:	int square() {
   5:	    square_a = square_a * square_a ;
   6:	    return( square_a );
   7:	}
   8:	
   9:	main() {
  10:	    int x, y, result;
  11:	    x = 10;
  12:	    y = 20;
  13:	    square_a = x ; result = square(); x = square_a ;
  14:	    printf("x==%d, result==%d\n", x, result);
  15:	    square_a = y++ ; result = square(); y = square_a ;
  16:	    printf("y==%d, result==%d\n", y, result);
  17:	}

実行結果。

% make square-copy-restore 
cc     square-copy-restore.c   -o square-copy-restore
% ./square-copy-restore  
x==100, result==100
y==400, result==400
%

◆RPCの基本的な考え方と制約

基本的には、値を送受信する (call-by-value)。
基本的には、ポインタや参照は、送受信できない。
基本的には、手続き（関数へのポインタ）は送受信できない。

この制約から、インタフェースを変えなければならないことがある。

◆例:RPCでread()

例: ファイルの内容を読むシステム・コール read()

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes)

buf は、結果を受け取る場所を示したもので、RPCで遠隔に送る意味はない。

方法１。インタフェースを変える。

struct read_result_t {
       ssize_t read_bytes;
       void *buf;
};
read_result_t read(int fd, size_t nbytes)

方法２: スタブで違いを吸収する。

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes)
{
	fd, buf(nbytes分), nbytes を整列化する。
	サーバへ要求メッセージとして送る。
	サーバから応答メッセージを受け取る。
	応答メッセージを非整列化して、結果の read_bytes と読んだ内容を取り出す。
	読んだ内容を buf read_bytes 分へコピーする。
	return read_bytes ;
}

単純に行えば、上のように余計なコピーが入ることがある。スタブで最適化すれば、クライアントからサーバへのコピーを減らせる。