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author Nobuyasu Oshiro <dimolto@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
date Sat, 01 Feb 2014 22:41:24 +0900
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1 \chapter{分散データベースJungleの設計}
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2 前章では木構造データベースJungleの仕様について述べた.
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3 非破壊的木構造によりデータを破壊せずに保持するJungleは, 過去のデータ
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4 もみることができる.
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5 また, データ編集をした際には, TreeOperationLogとして履歴が残る.
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6 これらを踏まえ, 本章ではJungleの分散データベースとしての設計を行う.
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8 \section{分散バージョン管理システムによるデータの分散}
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9 Jungleの分散設計はGitやMercurial といった分散バージョン管理システム（以下, 分散管理システム）の機能を参考に作る.
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10 分散管理システムとは, 多人数によるソフトウェア開発において変更履歴を管理するシステムである.
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11 % 反対の意味の言葉として集中型バージョン管理システムがある.
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12 分散管理システムでは開発者それぞれがローカルにリポジトリのクローンを持ち, 開発はこのリポジトリを通すことで進められる(図\ref{fig:distributed_repo}).
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13 ローカルのリポジトリは独立に存在し, サーバ上にあるリポジトリや他人のリポジトリで行われた変更履歴を取り込みアップデートにかけることができる.
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14 また逆に, ローカルのリポジトリに開発者自身がかけたアップデートを他のリポジトリへと反映させることもできる.
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15 分散管理システムでは, どれかリポジトリが壊れたとしても, 別のリポジトリからクローンを行うことができる.
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16 ネットワークに障害が発生しても, ローカルにある編集履歴をネットワーク復旧後に伝えることができる.
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17 そのため, 可用性と分断耐性が高いと言える.
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18 % 分散管理システムは結果整合性をとることを述べる.
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19 % 結果整合性の話を先にどっかでしたほうがいいかも
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20 \begin{figure}[htpb]
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22 \includegraphics[scale=0.6]{figures/distributed_repository.pdf}
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23 \caption{分散管理システム}
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24 \label{fig:distributed_repo}
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25 \end{center}
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29 \subsection{分散管理システムのAPI}
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30 分散管理システムでは主に次の3つのAPIを使用することで, データの
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31 分散を行っている.
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32 \begin{itemize}
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33 \item commit\\
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34 前のバージョンのデータに変更を加えたことをリポジトリに登録する.
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35 \item push\\
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36 ローカルのリポジトリで行った変更履歴を別リポジトリへと伝える.
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37 \item pull\\
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38 他のリポジトリの変更履歴をローカルにリポジトリで受け取る.
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39 \end{itemize}
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40 commitによりローカルのリポジトリに変更履歴が積み重なり, pushをすることで
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41 他のリポジトリにローカルで行ったデータ変更を伝える.
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42 また, pullに好きなタイミングでデータの更新履歴を受け取ることができる.
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44 分散管理システムはデータ変更の履歴は自由に受け取ることが
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45 できるが, その変更履歴をそのまま適応できないときがある.
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46 それはお互いが同じデータに対して編集を行っている場合である.
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47 この状態を衝突という.
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48 この衝突を解決する方法としてMergeがある.
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49 Mergeは衝突を起こしたデータ両方の編集履歴を適応したデータを作ることである.
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50 分散管理システムではこの衝突を解決する方法が必要になる.
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52 \subsection{Mergeによるデータ変更衝突の解決}
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53 分散管理システムでは, データの更新時において衝突が発生する時がある.
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54 それは, 分散管理システムを参考にしている Jungle においても起こる問題である.
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55 データの変更を行うときには, 元のデータに編集が加えられている状態かもしれない.
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56 Jungle はリクエストがきた場合, 現在もっているデータを返す.
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57 そのためデータは最新のものであるかは保証されない.
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58 この場合, 古いデータに編集が加えられ, それを更に最新のデータへ伝搬させなければならない.
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59 このように他のリポジトリにより先にデータ編集が行われており, データの伝搬が素直にできない状態を
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60 衝突という.
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61 この衝突を解決する手段が必要である.
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62 分散管理システムでは衝突に対してMergeと呼ばれる作業で解決をはかる.
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63 Mergeは, 相手のリポジトリのデータ編集履歴を受け取り, ローカルにあるリポジトリの編集と合わせる作業である.
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64 データ衝突に対して Jungle はアプリケーションレベルでのMergeを実装して貰うことで解決をはかる.
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66 以下にMergeが必要な場合とそうでない場合のデータ編集についての図を示す(図\ref{fig:tree_conflict1},\ref{fig:tree_conflict2},\ref{fig:tree_conflict3}).
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70 \includegraphics[scale=0.48]{figures/tree_conflict.pdf}
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71 \caption{衝突の発生しないデータ編集}
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72 \label{fig:tree_conflict1}
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73 \end{center}
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74 \end{figure}
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76 \begin{figure}[htpb]
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78 \includegraphics[scale=0.48]{figures/tree_conflict3.pdf}
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79 \caption{自然に衝突を解決できるデータ編集}
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80 \label{fig:tree_conflict2}
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81 \end{center}
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82 \end{figure}
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84 \begin{figure}[htpb]
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85 \begin{center}
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86 \includegraphics[scale=0.48]{figures/tree_conflict2.pdf}
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87 \caption{衝突が発生するデータ編集}
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88 \label{fig:tree_conflict3}
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89 \end{center}
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90 \end{figure}
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94 \section{Jungleのネットワークトポロジーの形成}
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95 分散管理システムを参考に Jungle でもそれぞれのデータベースが独立に
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96 動くようにしたい.
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97 そのために必要なことはトポロジーの形成と, サーバノード間でのデータアクセス機構である.
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98 また, データ分散のために形成したトポロジー上で扱うデータを決めなければならない.
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101 \subsection{ツリートポロジーの形成とルーティング}
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102 分散データーベス Jungle で形成されるネットワークトポロジーはツリー構造を想定している.
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103 ツリー構造ならば, データの整合性をとる場合, 一度トップまでデータを伝搬させることで行える.
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104 トップもしくはトップまでの間にあるサーバノードでデータ伝搬中に衝突が発生したらMergeを行い, Mergeの結果を改めて伝搬すれば
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105 よいからである.
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106 また, リング型, スター型, メッシュ側ではデータ編集の結果を他サーバノードに流すとき
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107 流したデータが自分自身にくることにより発生するループに気をつける必要がある.
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108 ツリー構造の場合は, サーバノード同士の繋がりで閉路が無い.
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109 そのため, 自分自身が行ったデータ編集の履歴を繋がっているノードに送信するだけですむ.
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110 このルーティングの方式はスプリットホライズンと呼ばれるものである.
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111
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112 \begin{figure}[htpb]
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113 \begin{center}
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114 \includegraphics[scale=0.70]{figures/network_topology_tree.pdf}
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115 \caption{ツリー型のNetwork Topology}
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116 \label{fig:topology_tree}
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117 \end{center}
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118 \end{figure}
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120
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121 \subsection{トポロジーの形成手段}
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122 Jungle で使用するネットワークトポロジーはツリー型を考えているが, リング型やメッシュ型といった
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123 他のネットワークトポロジーによる実装に関しても試す余地はある.
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124 そのため, ツリーだけでなく, 自由にネットワークトポロジーの形成を行えるようにしたい.
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125
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126 \begin{figure}[htpb]
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127 \begin{minipage}{0.5\hsize}
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128 \begin{center}
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129 \includegraphics[scale=0.7]{figures/network_topology_ring.pdf}
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130 \caption{リング型のトポロジー}
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131 \label{fig:topology_ring}
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132 \end{center}
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133 \end{minipage}
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134 \begin{minipage}{0.5\hsize}
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135 \begin{center}
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136 \includegraphics[scale=0.7]{figures/topology_mesh.pdf}
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137 \caption{メッシュ型のトポロジー}
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138 \label{fig:topology_mesh}
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139 \end{center}
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140 \end{minipage}
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141 \end{figure}
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142
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143 そこで当研究室で開発を行っている並列分散フレームワークである Alice を使用する.
69
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144 Alice はユーザが望んだマシンへの接続や必要なデータへのアクセスを行う機構と, ネットワークトポロジー
56
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145 形成機能を提供している.
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146
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147 % トポロジー形成の説明をする. 重要さなども。
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148 % トポロジーの形成は容易ではない.
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149 % Alice が必要な機能を提供してくれることを述べる
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150 % Alice はトポロジー形成の機能を提供している
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151 % トポロジー間でのデータの受け渡す機能も提供している
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152
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153
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154 \section{並列分散フレームワークAlice}
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155 Alice は当研究室で開発している並列分散フレームワークである.
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156 Alice はデータを DataSegment, タスクを CodeSegment という単位で扱うプログラミングを提供している.
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157 タスクの部分となる CodeSegment は, 計算に必要なデータである DataSegment が揃い次第実行が行われる(図\ref{fig:cs_ds}).
56
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158 CodeSegment の結果により出力される新たなデータでは, 別の CodeSegment が実行されるための DataSegment となる.
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159 DataSegment と CodeSegment の組み合わせにより並列・分散プログラミングの依存関係が表されるようになっている.
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161 \begin{figure}[htpb]
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162 \begin{center}
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163 \includegraphics[scale=0.70]{figures/cs_ds.pdf}
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164 \caption{DataSegment と CodeSegment によるプログラムの流れ}
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165 \label{fig:cs_ds}
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166 \end{center}
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167 \end{figure}
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169 \subsection{MessagePack によるシリアライズ}
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170 Alice では DataSegment のデータ表現に MessagePack\cite{msgpack:2013}を利用している.
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171 MessagePack はオブジェクトをバイナリへと変換させるシリアライズライブラリである.
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172 Alice によりネットワークを介してデータにアクセスするときは, そのデータが MessagePack でシリアライズが
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173 行えることが条件である.
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174
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177 \section{Jungle のデータ分散}
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178 Alice によりトポロジーの形成とデータアクセスの機構が提供される.
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179 後はデータ分散の為にどのデータをネットワークに流すのか決めなければならない.
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180 そこで選ばれたのが TreeOperationLog である.
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181 TreeOperationLog はデータ編集の履歴になる.
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182 どの Node にどのような操作をしたのかという情報が入っている.
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183 この TreeOperationLog を Alice を使って他サーバノードに送り, データの編集をしてもらうことで
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184 同じデータを持つことが可能となる.
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185 Alice を用いるため, この TreeOperationLog は MessagePack によりシリアライズ可能な形にすることが
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186 必要である.
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187
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188
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189
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190
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191 \section{ログによるデータの永続性}
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192 % TreeOperationLog(ログ)をシリアライズ可能な形にしてデータをおくること
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193 % シリアライズできる形にしたものをそのままHDに書き出すだけでログの永続性は行える
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d770a2b534b3 Writed description of persistent
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194 Jungle は非破壊でオンメモリにデータを保持している.
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c5c761588168 Modified chapter3
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195 だが, オンメモリのままでは電源が落ちた際にデータが失われてしまう.
c5c761588168 Modified chapter3
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196 ディスクからデータを読み込むことでデータの復旧を行えるようにしたい.
56
1d07365c60ff Writed conclstion
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197 そこで, ログによるデータの永続性の実装を行う.
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c5c761588168 Modified chapter3
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198
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199 Jungleの永続性実装の余地としてJournalという機能が元々用意されている.
63
d770a2b534b3 Writed description of persistent
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200 このJournalにはディスクへ書き出すためのクラスとしてWriterが用意されている.
d770a2b534b3 Writed description of persistent
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201 Jungleはデータの編集が完了した際にこのWriterクラスのwrite関数を呼び出すようになっている.
d770a2b534b3 Writed description of persistent
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202
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203 このJournalとWriterクラスを新たに用意し, ディスクへと書き込みが行える機能を実装する.
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d770a2b534b3 Writed description of persistent
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204 このとき, ログをどのようなデータ表現でハードディスクへと書きだすかという問題が発生するが, これは Alice を使うことで
56
1d07365c60ff Writed conclstion
Nobuyasu Oshiro <dimolto@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
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205 解決している.
63
d770a2b534b3 Writed description of persistent
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206 Aliceを用いるためMessagePackによりシリアライズ可能な TreeOperationLog ができる.
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1d07365c60ff Writed conclstion
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207 このシリアライズ可能な TreeOperationLog をそのままハードディスクへ書き込むこととでログの永続性ができる.
1d07365c60ff Writed conclstion
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d770a2b534b3 Writed description of persistent
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