これは、やさしいアルゴリズムだ！

【 これは、やさしいアルゴリズムだ！】

今回は、排他制御のアルゴリズムとして、ランポートの「bakery アルゴリズム」というのを紹介しようと思います。

「bakeryアルゴリズム」は、「パン屋のアルゴリズム」ということです。混雑している人気のパン屋をイメージしましょう。こんな感じです。

● パン屋の店先には、番号付きの整理券を発行する機械がある。整理券の番号は一つづつ増えていく。
● お客は、パン屋に入る前に、機械から整理券を受け取る。同時に一人しか整理券を受け取れない。
● パン屋には、一つのレジしかない。一番小さな番号の整理券を持ったお客から、パンを買うことができる。

パン屋じゃなくても病院でも銀行でも、身の回りの日常で混雑整理の方法として、よくみる風景ですね。

最初に、先行したダイクストラらのアルゴリズムの特徴をおさらいしておきましょう。それは、次のような性質を持っていました。

● どの時点でも、多くても一つのコンピュータしかcritical sectionに入ることができない。● どのコンピュータも、（途中でマシンが停止しなければ）最終的にはいずれcritical sectionに入ることができる。
● どのコンピュータも、非critical sectionで停止しても構わない。また、それぞれのコンピュータの処理スピードは問わない。

ランポートのアルゴリズムでは、最後の実際にレジでパンを買うところが、critical sectionに入ることに相当します。ダイクストラらの排他制御アルゴリズムの特徴を、ランポートのbakery アルゴリズムが持つことは、直感的には明らかに思えます。

だって、

　レジでパンを買えるのは、一人だけ。
　整理券を持っていれば、いずれ、パンを買える。
　途中で店を抜けても、時間をかけてゆっくりパンを選んでも構わない。

ですからね。

その上、アルゴリズムはとてもわかりやすいですね。ソースにコメントを入れました。ダイクストラのアルゴリズムでギブアップした人も、ランポートのアルゴリズムのわかりやすさを体験ください。

ただ、アルゴリズムのわかりやすさだけが、ランポートのアルゴリズムのメリットではないのです。実は、ダイクストラらのアルゴリズムには（クヌース、ド・ブルイジンらの「改良版」でも共通に）、実践的には弱点がありました。

それは、N台のコンピュータがコミュニケーションに利用する「共有領域」の読み書きに障害が発生すると、このアルゴリズムは機能しなくなるという弱点です。

ランポートのアルゴリズムでは、排他制御に重要な役割をはたすそれぞれのマシンが受け取ったチケットの番号を、N台のマシン全体が共有する領域に置くのではなく、それぞれのマシンが持ちます。その値を、外部のマシンから読み出すことは可能であることにします。

ダイクストラらのアルゴリズムは、共有領域に置かれた k, b[k]の読み書きが、アトミックに行われることに依存しています。別の言葉で言えば、システム全体の排他性は、システムの一部の排他性を保証することによって成り立っています。これは微妙な、奥の深い問題です。

ランポートのアルゴリズムで、他のマシンのチケット番号を全て読み出す操作は、アトミックなものにはなり得ないはずです。それに対するランポートの答えは驚くべきものなのですが。難しい話は後にしましょう。

-------------------------------------------

セッションの動画のURL
https://youtu.be/uvx9dE5J788?list=PLQIrJ0f9gMcOeqlB09PdBddfXLv2QjG-F

スライドのpdf
https://drive.google.com/file/d/130ERBEEOCG4SIMs4WD3_s5HpZNHDRYXS/view?usp=sharing

関連blog 「これは、やさしいアルゴリズムだ！」https://maruyama097.blogspot.com/2022/07/blog-post_08.html

参考資料

Leslie Lamport, A new solution of Dijkstra's concurrent programming problem ,Communications of the ACM Volume 17 Issue 8 Aug. 1974 pp 453–455
https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/361082.361093 

セミナーのまとめページ
https://www.marulabo.net/docs/concurrent/

セミナー告知・申込ページ
https://concurrent.peatix.com/view

-------------------------------------------


コメント

コメントを投稿

このブログの人気の投稿

マルレク・ネット「エントロピーと情報理論」公開しました。

イメージ
前回の秋葉原でのマルレクのネット配信が始まりました。 https://crash.academy/class/156 タイトルを「エントロピーと情報理論 -- 量子情報理論入門 -- 」に変更しました。最初の30分は、無料です。 次回のマルレク「量子コンピュータとは何か？」の導入となるコンテンツです。 講演資料は、こちらです。 https://goo.gl/CKayix  あわせて、ご利用ください。 　　　--------------------------------- 　　　マルレク・ネット　ビデオ・コンテンツ　 　　　--------------------------------- 　「エントロピーと情報理論」 　　　　 https://crash.academy/class/156 　「人工知能の歴史を振り返る」 　　　　 https://crash.academy/class/139/ 　「ニューラル・コンピューターとは何か？」 　　　　 https://crash.academy/class/101/ 　「Google ニューラル機械翻訳」 　　　　 https://crash.academy/class/76/ 　「RNNとLSTMの基礎」 　　　　 https://crash.academy/class/66/
続きを読む

初めにことばありき

旧約の「創世記」の「光よあれ」は、ビッグバンを思わせて、物理学者はちょっと萌えるかもしれないのだが、新約の「ヨハネによる福音書」には、言語学者が喜びそうなフレーズがある。 「初めに言があった。言は神と共にあった。言は神であった。」 僕が知っていたのは、「はじめにことばありき」という訳だったのだが。この口語訳での「言」は、英訳だとこうなっている。 "In the beginning was the Word, and the Word was with God, and the Word was God." 「言」= "Word" である。はじめにあったのは、Wordであって、Language ではない。だから、新しい口語訳では、普段、あまり馴染みない「言」という訳語を使ったのかも。「初めに語があった」では、なんかしまらないんだろうな。（僕は、「はじめにことばありき」というフレーズの方が好きだ。） ちなみに、「ヨハネによる福音書」は、英語では、"Gospel of John" という。「ジョンのゴスペル」である。でも、そう日本語に訳してしまうと、ジョン・レノンがバラードではなく、ゴスペルを歌っているようで、まずいんだろうな。 「ことば」・「言」・"Word" と訳されている、元々の言葉を調べてみると面白い。 キリスト教のオーソドックスな原典であるラテン語訳聖書では、この部分は、こうなる。 "In principio erat Verbum, et Verbum erat apud Deum, et Deus erat Verbum" 「イン・プリンキピオー・エラト・ウェルブム」 英訳 Word のラテン語の原語は、Verbum である。この単語、英語に直訳すれば、Verbである。「初めに、動詞があった。」　言語学の「従属性文法 (Dependency Grammar) 」理論の人たち、喜びそう。 もっとも、英語のVerbは、元々は、動詞というより広く言葉全体をさしてたらしい。そのことは、「ノンバーバル・コミュニケーション (Non-Verbal Communication) 」というのが、動詞を使わないコミュニケーション
続きを読む

人間は、善と悪との重ね合わせというモデルの失敗について

人間は善と悪との「重ね合わせ」だという前回の話は、人間の本性の複雑さを語るのには、ありうる喩えなのかもしれないが、量子の「重ね合わせ」の喩えとしては、実は、二つの点で失敗しているのだ。 一つには、複雑な善と悪との重ね合わせから情報を引き出す「簡単・粗野」な方法として、善か悪かの判断のみを下す「善悪測定器」を、便宜的に導入したのだが、これがマズイ。 複雑な量子の状態を「測定」した時に、我々は、その状態を複雑なまま見いだすことは出来ないのだ。量子が、善と悪との状態の重ね合わせだとしたら、測定によって我々が見いだすのは、必ず、善か悪か、どちらかの状態の量子を見いだす。 もしも、量子が、善悪二つの状態の重ね合わせではなく、もっと沢山の状態（例えば、100個の状態）の重ね合わせの場合でも、我々が「測定」で得られるのは、その中の、たった一つの状態である。 だから、量子の世界では、善か悪かの判断のみを下す「善悪測定器」は、決して「便宜的」なものではなく、これ以外の測定はできないという意味で、「原理的」な制約を表現しているのである。そのことが、先の喩えでは、うまく表現されていない。 量子の不思議さを、「重ね合わせ」の状態が不思議だと思っている人も多いのだが、それは違うと思う。 善と悪との重ね合わせの前回の例もそうだし、波だって、フーリエ変換だって、我々の日常に、たくさん「重ね合わせ」の現象は存在する。それは、ちっとも不思議なことではないし、表象するのも簡単である。 不思議なのは、「重ね合わせ」ではなく、量子に対する「測定」の方なのだ。それは、我々が「測定」に対してもつイメージとは、かけ離れている。量子力学の基礎の部分を構成しているのは、この不思議な「測定」の形式化・数式化なのである。（そして、それは、難しいものではない。今度の「紙と鉛筆」の演習に来て。） 二つ目の失敗も、実は、「測定」の扱いに関係している。 先の例では、丸山は、1,000回ほど「善悪測定器」にかけられ、その結果で、70% 悪人で、30% 善人 だと判定されるみたいな話をした。それが違うのである。 我々が「測定」で得られるのは、「重ね合わせ」を構成する複数の状態の中のたった一つの状態であると書いたのだが、それだけではないのだ。「測定」によって、量子の状態は、「測定」された一
続きを読む