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ソフトウェアを動的に進化できる Negligent Class Loader

ソフトウェアを動的に進化できる Negligent Class Loader. 佐藤 芳樹、千葉 滋 ( 東工大 ). 動作を止めずに・・・ 部分的に・・・ 高速に・・・. ソフトウェアの HotSwap 技術. 実行時にコードを差し替える技術 Sun J2SDK1.4 JPDA Sun J2SDK5 java.lang.instrument 実行時に差し込むだけ Dynamic class loading Dynamic library linking ニーズ サービス停止は大損害 Rapid prototyping

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ソフトウェアを動的に進化できる Negligent Class Loader

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Presentation Transcript

  1. ソフトウェアを動的に進化できる Negligent Class Loader 佐藤 芳樹、千葉 滋 (東工大) 動作を止めずに・・・ 部分的に・・・ 高速に・・・ JSSST04＠東工大

  2. ソフトウェアのHotSwap技術 • 実行時にコードを差し替える技術 • Sun J2SDK1.4 JPDA • Sun J2SDK5 java.lang.instrument • 実行時に差し込むだけ • Dynamic class loading • Dynamic library linking • ニーズ • サービス停止は大損害 • Rapid prototyping • Autonomic computing Hot Standby Hot Spare Hot Deploy Hot Plug Hot Swap JSSST04＠東工大

  3. 典型的なHotSwapは大がかり (クラス単位のHotSwap) クラス A A F F A F B B B 上書き 再定義 再リンク D D D C E G C E G C E G 参照リンク インスタンスアップデート A A F インスタンス F B B D D G G C A C E • JITなどの最適化を犠牲・やり直し • 参照リンク切断・再構築のオーバーヘッド • ヒープ巡回を伴うインスタンスアップデート A F E F B B D D G G C C E E JSSST04＠東工大

  4. 提案:Swap-lessアップデート • Negligentなクラスローダ • 古いクラスを破棄しない • 古いインスタンスをアップデートしない • しかし、ソフトウェアをアップデートできる！！ JSSST04＠東工大

  5. Hot Standby Hot Spare Class Loader A 代入 A A F F F B B B D D G G D C C E E A 代入 F B D G C E G C E 提案:Swap-lessアップデート 動作を止めずに・・・ 部分的に・・・ 高速に・・・ • 別のクラスローダにスタンバイした新バージョンのアプリケーション(インスタンス)を受け取ってアップデート • 別クラスローダで新しいクラスをロード • 別クラスローダ内で新クラスのインスタンスを生成 • 新しいインスタンスを受け取り共存させる Class Loader(アプリケーション) A F B D A F B D C E G G C E JSSST04＠東工大

  6. 容易にできない理由 loader = new MyClassLoader(…); Class clazz = loader.load(“Car”); Object newCar = clazz.newInstance(); Car c = (Car) newCar; • Javaのバージョンバリア • 別バージョンを代入させない仕組み • 名前空間を分離 • applet, servlet, eclipse-plugin etc.. • 型詐称を防ぐ (e.g. JDK1.1 saraswat problem) • 不正なメモリアクセスでJVMをクラッシュ • ClassCastException • 別のローダで定義される • 同名クラスは異なる型 loader1 old Car Car new loader2 incompatible JSSST04＠東工大

  7. c has run()? c has wiper()? c has turn()? => NoSuchMethod 安全にアクセスさせる方法 • 毎インスタンスアクセスでスキーマチェック • 型詐称されても不正なメモリアクセスを防げる • Type-less language の素朴な実現手法 • 過度のスキーマチェックでオーバーヘッド大 loader1 loader2 Car c = (Car) newCar; c.run(); c.wiper(); c.turn(RIGHT); Car Car +run() +turn(int) +wiper() +run() +turnRight() +turnLeft() +wiper() Segmentation Fault JSSST04＠東工大

  8. 提案手法：Twins room • 安全に効率良くアップデートできる場所（クラス群） • 二つのNegligentな兄弟クラスローダによって形成 • 二つのバージョンのクラスが相互に互換 • インスタンスが相互に代入可、スキーマチェック無しでアクセス • 名前空間も分離 Twins room sibling loader1 sibling loader2 Vehicle Vehicle Truck Truck Car Car Car c = newCar; Car c = oldCar; JSSST04＠東工大

  9. Twins room を実現するために • スキーマ互換ローディング • クラスロード時にクラススキーマを互換アップデート • メソッド呼び出し(invokevirtual/nonvirtual..)、フィールドアクセス(get/putfield)で逐一スキーマチェックしない • キャスト時バージョンチェック • インスタンスをTwins room(スキーマ互換されたクラス)に閉じ込める • スキーマ互換していない型の変数に代入させない • 代入演算(astore)で逐一バージョンチェックしない Parent CL Twins room Sibling CL Sibling CL Sibling CL Sibling CL Car Car Car Car JSSST04＠東工大

  10. SSP NoSuchMethod Exception turnLeft SSP turnRight wiper wiper turn SSP run run compatible スキーマ互換ローディング • クラスロード時に二つのバージョンのTIBを互換させる － クラスのJVM内表現で仮想メソッドテーブル情報を保持 • 同じTIBインデックスエントリにシグニチャの等しいメソッドを配置 • 不正なアクセスを正常に扱うために空エントリへSSPを挿入 (TIB: type information block) (SSP: Secure Schema Padding) Car < Vehicle Car < Vehicle +turn(int) +wiper() +turnRight() +turnLeft() +wiper() tib[4] tib[3] wiper tib[2] wiper turnLeft tib[1] turn turnRight tib[0] run run JSSST04＠東工大

  11. キャスト時バージョンチェック • Twins room内の明示的キャストだけでバージョンチェック • インスタンスフローを追跡しない • 他ローダのキャストではバージョンチェックしない • Bridge-safety [saraswat’97] • 兄弟間の代入はダウンキャストを伴う • 必ず親にロードされたスーパークラス、インタフェースを介す Parent CL Object newCar = (Car) newCar; clazz.newInstance(); Car c = checkcast Twins room JSSST04＠東工大

  12. 手軽にDynamic AOP、リフレクション コード変換されたクラスを別クラスローダでロード ホットデプロイの改良 ホットデプロイ後に旧コンポーネントのインスタンスを扱える(cache,cookie) 具体的にうれしいこと Twins room Twins room EAR,WAR Servlet Servlet Car Car Weaving Product Product LogAspect newInstance() Hot Deployment JSSST04＠東工大

  13. Twins roomの実装 • 実装方針 • 実行時に安全性をチェックしない • Twins room内だけ • クラスロード時に済ませる • IBM Jikes RVM上に実装 • オープンソースのリサーチ用VM • Javaで実装(300KLOC) • Compile-only JIT (Baselevel,optimizing,adaptive) JSSST04＠東工大

  14. Sibling’sTIB updates VM_DynamicLinker #lazyMethodInvoker() int[] JIT stub code Class loading JIT compile システム概観 • 型表現を拡張 • TIBにRoom no.を付加 • Negligentクラスローダ • ユーザ用API • Room no.に基づくSID, ITVを算出 • TIB互換とSSP挿入 • バージョンチェック埋め込み（JIT） • TIBアップデート(伝播) SID: superclass ID display ITV: implement trits vector JTOC register JTOC(JRVM table of contents) ・static fields,methods ・all classes ・literals ・numeric,string const VM_Type type ID TIB(Object[]) Room no. field info type method info SID(extends) etc… ITV(implements) Object Room no. SID field1 Room no. ITV field2 virtual method0 TIB virtual method1 status etc… (Lockword,hashcode, gc info) JSSST04＠東工大

  15. まとめ 動作を止めずに・・・ 部分的に・・・ 高速に・・・ • Swap-lessアップデート • Negligentなクラスローダ • 安全に効率良くアップデートできるTwins room • 現在の状況 • IBM Jikes RVM 上に実装 • 性能比較実験(SpecJBB2000) JSSST04＠東工大

  16. 今後の課題 • スキーマ互換 • フィールドや配列要素へのアクセス • privateフィールドのみサポート • direct field accessなのでSSPを挿入できない • 静的束縛やインライン展開されたメソッド • JITedコードをインバリデート • 型安全性の検証 JSSST04＠東工大

  17. 終わり JSSST04＠東工大

  18. 違う ! FAQをよく読め! ! Javaクラスローダで進化 • 動的AOP、リフレクションはどう実現される？ • クラスローダを利用すれば簡単そう loader = new CustomClassLoader(…); byte[] modifiedclass = translator.compose(“Product”, “Logging”); Class c = loader.load(modifiedClass); Product p = (Product) c.newInstance(); • カスタムクラスローダを生成 • 変換器を使ってProductクラスにログ機能を付加（改変クラスのバイト列を取得） • 改変したProductクラスをカスタムクラスローダでロード 新しいバージョンのProductクラスのインスタンスを取得 JSSST04＠東工大

  19. バージョン違いのキャストを許したい Javaクラスローダは不十分 • ありがちなクラスローダへの誤解 • 二つのProductクラスは同じ名前だが異なる（別のバージョン） • 一方はシステムクラスローダで • 他方はカスタムクラスローダでロードされる • Productをインタフェースにすれば良いのでは？ • 記述性、性能（indirection）、柔軟性（スキーマが固定）に問題 loader = new CustomClassLoader(…); byte[] modifiedclass = translator.compose(“Product”, “Logging”); Class c = loader.load(modifiedClass); Product p = (Product) c.newInstance(); ClassCastException JSSST04＠東工大

  20. p Segmentation fault p.getPrice() では何故バージョンバリア？ • 名前空間を分離 • applet, servlet, eclipse plug-in...etc • 型詐称(type-spoofing)を防ぐ • 不正なメモリアクセスでJVMをクラッシュ (e.g. saraswat problem) loader1(http://aaa/B.jar) loader2(http://xxx/Y.jar) Product p = (Product) c.newInstance(); int price = p.getPrice(); Product getName() getPrice() Product getName() • 毎インスタンスアクセスでスキーマ（フィールドやメソッド）チェック ⇒　型詐称されても不正なメモリアクセスを防げる • 性能を重視するJavaには受け入れられない JSSST04＠東工大

  21. 現実例1:動的アスペクトウィービング • 動的AOPシステムは直感的に実装できず難しい • アスペクトを動的に合成しても、改変クラスを別バージョンとしてしかロードできない • 既存の動的AOPシステムの実装は非常に複雑で低性能 • Static code translation [Renaud01Reflection][Jason02AOSD] • Breakpoint [Popovicci02AOSD] • Just-in-time hook insertion [Sato03GPCE] • Modified JVM [Popovicci03AOSD][Bockisch04AOSD] System CL product product newInstance() Weaver incompatible JSSST04＠東工大

  22. 現実例２: コンポーネントのホットデプロイ • ホットデプロイ後に旧コンポーネントのインスタンス(cache,cookie,session object)を扱えない • コンポーネント(EJB-JAR,EAR,WAR)毎にローダ割り当て • ホットデプロイ ＝ 旧ローダ破棄 ＋ 新ローダ生成 • 親にデリゲートして共有　⇒　ホットデプロイできなくなる • Unified Class Loaders(JBoss) • ローダを連結、クラスをすべて共有 • ネームスペース無し System CL Servlet Servlet product product System CL App CL1 App CL2 Hot Deployment UCL1 UCL2 UCL3 EAR1 EAR2 EAR3 JSSST04＠東工大

  23. 動的進化を目指した取り組み • 複数バージョンのクラスのインスタンスを利用して進化 • Negligent Class Loaders • プログラムの動的改変 • Sun JDK1.4 JPDA (JDK1.5 java.lang.instrument) • Dynamic Java Classes [Malabarba00ECOOP] • PROSE2 [Popovicci03ECOOP] • Steamloom [Bockisch04AOSD] • 新クラスのリコンパイルと旧クラスのインバリデート インスタンスアップデートやリンク再構築のオーバーヘッド、JITによる最適化を犠牲 Most of previous work JSSST04＠東工大

  24. Twins room の重複 • TIBアップデートを伝播 • Ａ－Ｂ、Ｂ－ＣのTwins roomが存在する場合 • ＡによりＢのＴＩＢがアップデートされたならば、それにしたがってＣのＴＩＢをアップデートする • アップデートされるＴＩＢに対しては、エントリを追加するだけなのでＯＫ Parent CL Twins room Sibling CL Sibling CL Sibling CL Sibling CL Car Car Car Car JSSST04＠東工大

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