title: Gears OS における並列処理 
author: Takui Higashionna
profile:
lang: Japanese
code-engine: coderay

# メタ計算を使った並列処理

- 並列処理のプログラミングはチューニングや信頼性の確保が困難である。
- これらのチューニングや信頼性の確保を、アルゴリズムから分離しメタ計算で行う
- 並列処理のプラグラミングは、処理のパイプライン
- 当研究室ではメタ計算をサポートする言語として Continuation based C (CbC) を開発している
- CbC は Code Gear と Data Gear という処理とデータの単位を持っており、メタ計算を行うための Meta Code Gear、Meta Data Gear がある。
- Gears OS は CbC を用いて記述されている。

# Code Gear Data Gear

- Code Gear、Data Gear とはプラグラムを分解し、処理の部分を Code Gear、int や文字列などの部分を Data Gear という単位で分割したものである。
- Code Gear の処理の移行は goto を使って行い、この移行の仕方を継続という。
- goto による移行は戻り値を持たないため、スタックを積む必要のない、スタックに積まない継続を軽量継続と呼ぶ。

# Code Gear Data Gear を用いた計算

- Code Gear の処理の実行は、接続された Data Gear が揃ってから実行される。
- Data Gear には Output Data Gear と Input Data Gear があり、Code Gear は接続された Data Gear 以外を変更することはない。
- そのため通常の計算ではポインタを気にすることはなく、ポインタ演算はメタ計算部分で行われる。
- Code Gear の処理は tail call のみで遷移を行う関数型プログラミングである。
- agda に変換することができ、プログラムの正しさを証明できる。

# メタ計算

- メタ計算は通常の計算のための計算である
- 並列処理の依存関係の解決、GPUなどのアーキテクチャ実行のための処理を行う。
- Gears OSではメタ計算は Meta Code Gear、Meta Data Gear で表現される。

# Gears OS

- Gears OS は Code Gear、Data Gearの単位を用いて開発されており、CbCで記述される。
- Meta Code Gear は 通常の Code Gear の直後に遷移され、メタ計算を実行する。
- Meta Code Gear で OS の機能であるメモリ管理やスレッド管理を行う。

# Gears OS の並列性

- Code Gear が処理するのに必要なinput Data Gear　と処理実行後に出力される Input Data Gear の組を Task と呼ぶ。
- Code Gear は Task 以外とは依存関係がない
- 依存関係が明確化されている Code Gear Data Gear で記述することで、並列化し易い。

<div style="text-align: center;">
    <img src="./images/codeGear_dataGear.svg" alt="message" width="800">
</div>

# Gears OS の柔軟性

- Gears OS はメタ計算を使用することで
-- データ拡張や機能の追加
-- GPU 等の様々なアーキテクチャでも同じプログラムの動作
- メタ計算は通常の処理と階層を分けて処理を行う。

<div style="text-align: center;">
    <img src="./images/meta_gear.svg" alt="message" width="800">
</div>

# Gears OS の構成

- Gears OS は以下の要素で構成される。

# Context

- Gears OS は Context と呼ばれる接続可能な Code Gear、Data Gear のリスト、Temporal Data Gear のためのメモリ空間等を持っている Meta Data Gear を持つ。
- Gears OS は必要な Code Gear、Data Gear に参照したい場合、この Context を通す必要がある。
- Context は 接続に必要な Code/Data Gear のリスト、 Data Gear を確保するためのメモリ空間、実行する Code Gear、Code Gear の実行に必要な Input Data Gear のカウンタ等をもっている。

# TaskManager

- TaskManager は Task、Worker の生成、Worker に生成した Task の送信、生成した Worker の終了処理等を行う。

# Worker

- Worker は thread と実行する Task が入っている Queue を持っている。
- Worker は TaskManager から送信された Task を Queue から取り出し、Code Gear を実行する。
- Task は Context なので、Code Gear の実行に必要な Input Data Gear はその Context から参照される。
- Code Gear を実行した後は出力される Output Data Gear から依存関係を解決する。

# 依存関係の解決