title: CbC 言語による OS 記述 
author: Mitsuki Miyagi
profile:
lang: Japanese
code-engine: coderay

# メタ計算の重要性
- プログラムを記述する際、通常の処理の他に、メモリ管理やスレッド管理、CPU や GPU の資源管理等、記述しなければならない処理が存在する。これらの計算を Meta Computation と呼ぶ。
- Meta Computation はノーマルレベルの計算から切り離して記述したい。
- そのためには処理を細かく分割する必要があるが、関数やクラスなどの単位は容易に分割できない。
- そこで当研究室では Meta Computation を柔軟に記述するためのプログラミング言語の単位として Code Gear、Data Gear という単位を提案している。

# Code Gear と Data Gear
- Code Gear は関数に比べて細かく分割されているので Meta Computation をより柔軟に記述できる。
- Data Gear はデータの単位であり、Code Gear は 任意の数の Input Data Gear を参照して処理を行い、Output Data Gear を出力し処理を終える。

# Continuation based C (CbC)
- Continuation based C (CbC) はこの Code Gear 単位を用いたプログラミング言語として開発している。
- CbC では Code Gear は \_\_code という型を持つ関数の構文で定義される。
- Code Gear は戻り値を持たないので、関数とは異なり return 文は存在しない。
- goto の後に Code Gear 名と引数を並べて、次の Code Gear の遷移を記述する。
- この goto の行き先を継続と呼び、このときの a+b が次の Code Gear への出力となる。
```Code_Gear
__code cs0(int a, int b){
  goto cs1(a+b);
}

__code cs1(int c){
  goto cs2(c);
}
```

# Gears OS
- Gears OS は Code Gear、 Data Gear の単位を用いて開発されており、CbC で記述されている。
- 並列実行するための Task を、実行する Code Gear 、実行に必要な Input Data Gear 、Output Data Gear の組で表現する。
- またGears OS では Meta Computation を Meta Code Gear、Meta Data Gear で表現する。
- Meta Code Gear は通常の Code Gear の直後に遷移され、Meta Computation 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。

# Context
- Gears OS では Context と呼ばれる接続可能な Code/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 がある。
- Gears OSは必要なCode/DataGearに参照したい場合、このContext を通す必要がある。

# Gearef、GearImpl
- Context には Allocation で生成した Data Gear へのポインタが格納されている。
- Code Gear が Context にアクセスする際、ポインタを使用してデータを取り出すためコードが煩雑になってしまう。

```
__code clearSingleLinkedStack_stub(struct Context* context) {
        SingleLinkedStack* stack = (SingleLinkedStack*)context->data[D_Stack]->Stack.stack->Stack.stack;
        enum Code next = context->data[D_Stack]->Stack.next;
        goto clearSingleLinkedStack(context, stack, next);
}
```

- そこで Code Gear がデータを参照するための Gearef と GearImpl というマクロを定義した。

```
__code clearSingleLinkedStack_stub(struct Context* context) {
        SingleLinkedStack* stack = (SingleLinkedStack*)GearImpl(context, Stack, stack);
        enum Code next = Gearef(context, Stack)->next;
        goto clearSingleLinkedStack(context, stack, next);
}
```

# stub Code Gear
- Code Gear が必要とする Data Gear を取り出す際に Context を通す必要がある。
- しかし、Context を直接扱うのはセキュリティ上好ましくない。
- そこで Context から必要なデータを取り出して Code Gear に接続する stub Code Gear を定義し、これを介して間接的に必要な Data Gear にアクセスする。 

```stub
__code clearSingleLinkedStack(struct Context *context,struct SingleLinkedStack* stack,enum Code next) {
    stack->top = NULL;
    goto meta(context, next);
}

__code clearSingleLinkedStack_stub(struct Context* context) {
        SingleLinkedStack* stack = (SingleLinkedStack*)GearImpl(context, Stack, stack);
        enum Code next = Gearef(context, Stack)->next;
        goto clearSingleLinkedStack(context, stack, next);
}
```

# interface の記述
- interface を記述することで Context を通して Code Gear が参照できるようになった。
- create は関数呼び出しで呼び出され、interface と impliment の初期化と Code Gear のポインタの設定を行う。
- return で interface を返し、その先で指定した Code Gear へ継続できるようになる。
```impl
Stack* createSingleLinkedStack(struct Context* context) {
    struct Stack* stack = new Stack();
    struct SingleLinkedStack* singleLinkedStack = new SingleLinkedStack();
    stack->stack = (union Data*)singleLinkedStack;
    singleLinkedStack->top = NULL;
    stack->push = C_pushSingleLinkedStack;
    stack->pop  = C_popSingleLinkedStack;
    stack->pop2  = C_pop2SingleLinkedStack;
    stack->get  = C_getSingleLinkedStack;
    stack->get2  = C_get2SingleLinkedStack;
    stack->isEmpty = C_isEmptySingleLinkedStack;
    stack->clear = C_clearSingleLinkedStack;
    return stack;
}
```

# Context、stub Code Segment の自動生成
- Gears OS では通常の計算の他に Context や stub などの meta computation を記述する必要がある。
- 現在の CbC で Gears OS を記述すると、この meta computation の記述も行わなくてはならず、これには多くの労力を要する。
- この記述を助けるために Context を生成する generate_context と stub Code Gear を生成する generate_stub を perl スクリプトで作成した。

# generate context 
- generate\_stub は指定された cbc ファイルの \_\_code型である Code Gear を取得
- generate\_context は context.h から Data Gear、c ファイルから Code Gear の取得
<img src="./fig/generate_context.svg" alt="message" width="800" >

# 今後の課題
- 本研究では interface の記述、CbC ファイルから Gears OS の記述に必要な Context と stub の生成を行う perl スクリプトの生成を行なった。
- これにより Gears OS のコードの煩雑さは改善され、ユーザーは Context への接続を意識する必要がなくなった。
- 今後の課題は Code Gear から meta computation を行う meta Code Gear を生成できるようにし、ユーザーがメタレベルの処理を意識せずにコードを記述できるようにする。
- また、今回 perl スクリプトによって Context や stub の生成を行なったが、LLVM/clang 上で実装しコンパイラで直接 CbC を実行できるようにすることも優先する。