JP2507871B2 - 並列処理方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はいわゆる非決定性プログラムの処理に係り、
特に該処理を複数の処理装置で実行するための並列処理
方式に関する。

人工知能の研究分野等において、例えばPROLOGとよば
れるような非決定性プログラミング言語が使用される。

よく知られているように、PROLOGで記述されるプログ
ラムは、ルールとよばれるデータの集まりで構成され、
質問データをルールと照合して、所定の関係を満足する
という意味で質問にマッチするルールを探索し、マッチ
するルールによって、次の質問データを構成するという
処理の反復によって、プログラム実行が進行する。

このような処理を次々に構成される質問について進め
ることにより、次の質問データを構成する処理におい
て、変数の値が逐次確定するというような過程を経て、
最後に質問が空になったときに、例えば変数に与えられ
ている値によって解が求まる。

１の質問にマッチするルールは一般に複数存在し得る
ので、PROLOGプログラムの実行の全体は、そのような複
数のルールがある処理ステップで分枝を有する探索木を
構成し、一般に、１の質問入力について複数組の解が存
在し得る。

従って、複数の処理装置の並列処理によって、複数組
の解の探索を並行に進めることが特に有用である。

〔従来の技術と発明が解決しようとする問題点〕

PROLOGプログラムは、ルールの集まりとして構成さ
れ、各ルールは下記の形式を有する。

ヘッド：ボディ こゝで、ヘッドは１個の述語、ボディは１個の述語
か、“,"で連結された２個以上の述語からなる述語列
（即ち、述語，述語，…，述語）、又は空であり、ボデ
ィが空のルールはヘッドのみの形式とする。

述語は、 述語名（引数，引数，…，引数） の形式を持つ。こゝで引数は定数、変数又は構造体であ
り、定数は小文字で始まる文字列、変数は大文字で始ま
る文字列であり、構造体は、 構造体名（引数，引数，…，引数） の形式を持つ。又、述語名及び構造体名は小文字で始ま
る文字列である。

例えばfather（youko,shouji）は述語であって、これ
を例えば「youkoの父はshoujiである」ことを意味する
ルールとすることができる。又、grandfather（X,Y）:f
ather（X,Z）,father（Z,Y）はボディを持つルールの例
であり、例えばヘッドの述語を、「変数Ｘの祖父は変数
Ｙである」を表すものとしたならば、上記ルールは「Ｘ
の祖父がＹということは、Ｘが父がＺで且つＺの父がＹ
である」ことを意味するものとなる。

このようなルールの列で構成されるPROLOGプログラム
の実行は、例えば“？−述語列（又は述語）”の形式で
指定される質問を入力することによって開始される。こ
の質問の質問データである述語列（又は述語）をゴール
という。

プログラムの実行は、ゴールと同じ述語名のヘッドを
持つルールを探索し、一致したら両者の引数を比較し
て、各対応位置の引数が所定の関係にあれば両者のマッ
チが得られたとする。

マッチが得られた場合には、そのルールのボディを新
たにゴールとして上記の処理を進める。

このとき、ボディを構成する述語の引数の変数に既に
定まる値がある場合には、その値によって置換する等の
処理をして、新ゴールとする。

このようにして、ゴールのすべての述語が、ボディの
空なルールとマッチすることにより、解の一つに達する
プログラム実行は終わる。

しかし、一つのルールの述語とマッチするルールは複
数個あり得るので、そのような場合にはそのステップで
探索木の分枝が生じ、それぞれの分枝についての個別の
実行が有り得る。

一般にプログラムを複数の処理装置で分担して、並列
処理を実行するために、従来は例えばプログラムを予め
分割しておく。

プログラムの実行開始において、開始入力を受信した
１処理装置が、記憶装置から読み込んだプログラムの制
御情報に基づいて、他の処理装置に各分担を指定した後
に実行に入る。

複数の各処理装置は、処理が自身の分担範囲外での処
理を必要とするステップに達すると、所要の情報を、そ
の処理を分担する処理装置に転送して処理する。

このような方式を前記のPROLOGプログラムの実行に適
用すれば、一般に処理装置間で授受する情報が多量にな
る。又、各処理装置を同程度の負荷にするためにはプロ
グラミングにおいて、適切な分割を考慮しなければなら
ないが、これは極めて困難な作業になる。

通常のプログラムにおいては、別の方式として処理の
流れを並列に進行する複数の流れに分岐する点を、プロ
グラム上で陽に指定する方式があるが、前記のように不
確定な要素を含むPROLOGプログラムの構成に、このよう
な分岐方式を適用することも極めて困難である。

〔問題点を解決するための手段〕

前記の問題点は、１以上のルールからなるデータか
ら、質問データと所定の関係を満足するルールを探索
し、該所定の関係を満足するルールが複数存在するとき
には、その中の１のルールを選択し、選択されなかった
ルールを指定する情報を該質問データと組み合わせてス
タックに格納し、該選択されたルールと該質問データと
に基づいて次の質問データを作成する処理を反復する処
理装置を複数台有する情報処理システムにおいて、１の
処理装置が該選択された１の質問データについての上記
処理をするに際して、上記所定の関係を有する２以上の
ルールがあることを検出した場合、当該質問データと当
該検出した２以上のルールの中の選択した１のルールと
から作成される質問データに対する探索処理は当該処理
装置にて実行し、他の処理装置から遊び状態である旨の
通知があったときに、当該検出した２以上のルールの中
の選択されなかったルールに基づく探索処理を当該他の
処理装置に実行させるために、他の処理装置での実行に
必要な情報を他の処理装置へ通知するように構成されて
なり、さらに上記通知する情報は、最先にスタックに格
納された、選択されなかったルールを指定する情報、お
よび該最先にスタックに格納された、選択されなかった
ルールを指定する情報と組み合わせてスタックに格納さ
れた質問データとからなる本発明の並列処理方式によっ
て解決される。

〔作用〕

即ち、前記のようにPROLOGプログラムの実行の全体は
探索木の構造となるが、その分枝点に到達した処理装置
は分枝を１枝づつ処理することになり、一般に未処理の
枝が残される。

従って、分枝において処理を分割するものとすること
により、並列処理の可能な分割点が、処理の進行に伴っ
て自動的に設定される。

この分枝点とは、前記PROLOGプログラム実行の説明か
ら明らかにされるように、質問データを構成する１述語
とのマッチを探索する必要のあるルール、より具体的に
は質問データの述語名と同じ述語名をヘッドに持つルー
ル、が複数個ある場合である。

このような分枝点において、未処理の質問データの１
組を分割し、要すれば走査の先頭のルールを指定して、
遊び状態の処理装置に渡せば、その処理装置は以降の処
理を、分割元との通信等の必要無く、すべて単独に実行
することができる。

〔実施例〕

第１図は並列処理の可能な情報処理システムの一構成
例を示すブロック図である。

システムは、例えば４台の処理装置１〜４を有し、そ
れらの処理装置は例えば同一の構成を有し、それぞれ独
立にプログラムの実行等を処理することができる。

以下において各処理装置１〜４は、それぞれがいわゆ
る逐次型計算機であり、且つPROLOGの代表的な処理系の
一つとされる、スタックを使用する方式のPROLOG処理プ
ログラムを実装して、PROLOGプログラムを実行するよう
にした場合を一例として説明する。

並列処理制御を行うために、各処理装置は例えば処理
装置１から処理装置２、処理装置２から処理装置３とい
うように、それぞれ隣接の処理装置への通知線５〜８を
持つ。

又、各処理装置１〜４は交換機構９と接続し、交換機
構９を経て、それぞれ他の処理装置１〜４の指定の装置
へ情報転送を行うことができる。

又、交換機構９には記憶装置10、入出力装置11等が接
続され、それらは交換機構９によって、各処理装置１〜
４との間でデータの転送を行うことができる。

PROLOGプログラムの実行は、入出力装置11から例えば
処理装置１に質問データを入力することにより、記憶装
置10に予め格納されているPROLOGプログラムの所要領域
を読み出して処理する方式で開始される。

各処理装置１〜４は遊び状態の時に通知線５〜８によ
って隣接処理装置へ要求メッセージを送り、各処理装置
１〜４は要求メッセージを受信したときに、分割する処
理があれば、その処理を実行するに必要なデータ等を交
換機構９を経て、要求元の処理装置へ転送することによ
って、処理を分割する。

要求メッセージを受信したときに、分割すべき処理を
持たない処理装置は、受信した要求メッセージを隣接処
理装置へ中継する。

第２図（ａ）は処理装置１〜４の一構成例を示すブロ
ック図である。

受信部20は交換機構９を経て、入出力装置11又は他の
処理装置１〜４から、質問データ及び所要の制御情報を
受信して、プログラム実行部21に渡す。

プログラム実行部21は受け取った質問データによって
プログラムを実行し、又併せて処理を分割するための情
報を構成する。

通知制御部22は通知線23、24（第１図の通知線５〜８
に対応）と接続し、通知線23から要求元処理装置１〜４
のアドレスを表示する要求メッセージを受信すると、こ
れを分割制御部25に通知し、分割制御部25から、分割す
る処理が無い旨の応答が有ったときは、受信したメッセ
ージを通知線24により隣接処理装置へ中継する。

又、プログラム実行部の状態を監視し、遊び状態にな
ると、通知線24に自処理装置アドレスを表示する要求メ
ッセージを発信する。

分割制御部25は、通知制御部22から要求メッセージを
受領すると、プログラム実行部21に分割する処理がある
か検査し、有無を通知制御部に応答する。

分割する処理がある場合には、所要の情報をプログラ
ム実行部21から取り出して、送信部26から交換機構９を
経て、要求元処理装置宛に送出する。又、プログラム実
行部21内の該当処理は処理済とする。

第２図（ｂ）はプログラム実行部21の主要部の一構成
例を示すブロック図である。

処理部27は記憶部28のデータによってプログラムを実
行する。

記憶部28には、処理部27の制御により記憶装置10から
読み出したプログラムを保持するプログラム域30、と以
下に述べるゴールスタック31、セルスタック32、及び作
業域33等がある。

ゴールスタック31は、プログラム域30上に次に探索す
るルールを指すポインタ（以下において、ルールポイン
タという）と、セルスタック32に保持するゴールのデー
タを指すポインタ（以下に、ゴールポインタという）の
対を、いわゆるスタック方式で格納する領域である。

セルスタック32はルールとのマッチ処理を行うゴール
のデータをスタック方式で保持し、処理を完了したゴー
ルは消去されて、未処理のゴールがスタックされる領域
である。

次に、第１表のQUEEN問題として知られる問題を解くP
ROLOGプログラムを一例として、処理の分割を説明す
る。

このプログラムを実行して、４×４の基盤上における
チェスのQUEENの可能な配置を求めるために、？−queen
s（〔1,2,3,4〕,XO） という質問を、例えば処理装置１に入力する。

第１表及び以下の説明において、〔2,3,4〕及び〔X|
Y〕等は、通常用いられる記法により、リスト構造のデ
ータを示すものとする。

第２表には、例えば処理装置１で起こり得るプログラ
ム実行の、進行状況の一部を示す。

第２表において、「ステップ」欄の括弧付数字は実行
のステップを示し、「ルールポインタ」欄の丸付数字は
未処理部分で最初に探索するルールを指すポインタ値を
第１表の左端の数字で示し、ゴールスタック31に保持さ
れる値に相当する。この欄にポインタ値の無いステップ
は処理を完了し、未処理の分枝の無いステップである。

「セルスタックの内容」欄は、各ステップの処理結果
として得られる新しいゴールを示し、これは即ち次ステ
ップの処理で使用するゴールの内容になる。

「ルールポインタ」欄にポインタ値があるステップに
示されるゴールの内容は、セルスタック32のスタックに
残され、そのスタック上の位置はルールボインタと対の
ゴールポインタとしてゴールスタック31に保持されてい
る。

第２表のステップ（１）では、入力された質問の述語
がそのまゝセルスタック32に置かれ、これとマッチする
ルールが探索される。

その結果、第１表ののルールとマッチし、そのボデ
ィが次のゴールになるが、このときルールの変数Ｘはゴ
ールの定数〔1,2,3,4〕で置換され、変数Ｙはゴールの
変数XOで置換されるので、第２表のステップ（２）に示
す内容のゴールになる。

このプログラムには述語名queensのヘッドを持つルー
ルはのみであるので、ステップ（１）のゴールに関す
る処理は完了し、ルールポインタの指定は不要である。

ステップ（２）のゴールはのルールと述語名が一致
するが、第１項の引数が両者定数で異なるのでマッチせ
ず、のルールでマッチして、そのボディが新たなゴー
ルになる。

こゝで前と同様の方法による変数等の置換が行われ、
又、ボディにおいて始めて現れる変数Ｕに対応して、ゴ
ール側の変数として変数X1が新たに設定され、X1によっ
てボディのＵを置換したものが、ステップ（３）に示す
ようにゴールとなる。

ステップ（２）の場合も、次に走査するルールは無い
ので、次のルールのポインタの指定は無い。

ステップ（３）以降では、ゴールに含まれる３個の述
語を順次処理するものとし、まず先頭の述語とマッチす
るルールを探索する。

こゝで、ルールがマッチし、ルールはボディを持
たないので新たなゴールは発生せず、ゴール先頭の述語
名selectの述語は消滅する。

このとき、ゴール全体に、前は同様の変数の置換等が
実行され、その結果の述語名check及びqueens1の述語か
らなるゴールが、ステップ（４）以降の処理のためのゴ
ールとなる。

ステップ（３）では、プログラム中にヘッドの述語名
selectのルールが、ルールの次に、にもあることを
検出し、ルールポインタとしてを指すポインタ、及び
ステップ（３）に示すゴールのセルスタック32上の位置
を指すゴールポインタをゴールスタック31に保持する。

ステップ（４）では、ゴールの先頭の述語とルール
がマッチし、そのボディの述語check1が元のゴールの述
語checkに代わり、それとゴールの残りの述語とから、
ステップ（５）に示す新たなゴールが構成される。

ステップ（５）では、ゴールの述語check1とルール
がマッチする結果、ステップ（６）に示す新たなゴール
が生成され、又ヘッドの述語名check1のルールがにも
有ることを検出して、ルールを指すルールポインタ
と、セルスタック32上の対応するゴールを指すゴールポ
インタをゴールスタック31に保持する。

ステップ（６）以降も、前記と同様の要領で処理を進
めるが、その説明は省略する。

例えばこのように処理を進めて一つの解に到達し、別
の解に到達する探索木の他の分枝の処理を進めるには、
前記のステップ（３）及びステップ（５）の説明におい
てゴールスタック31に保持したポインタ対、又はその後
の処理で同様にスタックされているポインタ対の中から
何れか１対の取り出して処理する。

即ち、そのゴールポインタの指すセルスタック32上の
ゴールについて、ルールポインタの指すルールの走査か
ら開始すれば、他の処理と重複を生じることなく、新た
な分枝の処理を行うことができる。

それらの分枝の処理はそれぞれ独立の処理で、相互の
依存関係は無いから、ゴールスタック31に保持されてい
る何れのポインタ対から先に処理してもよく、並行に処
理してもよい。

従って、第２図（ａ）の分割制御部25は、他の処理装
置からの要求メッセージを通知制御部22から受け取る
と、プログラム実行部21のゴールスタック31を探索す
る。

もし、ポインタ対がスタックされていれば、その中の
１対を取り出してゴールスタック31上からは削除し（即
ち、この処理装置としては処理完了とし）、取り出した
ポインタ対によって始まる処理に必要な情報を要求元処
理装置へ送ることにより、他の処理装置への処理の分割
ができる。

要求元処理装置へ転送する情報は、１つのゴールとそ
れに関連して作業域33に保持される変数等の情報（以下
にそれらを一括してゴール情報という）、及び走査を開
始するルールを指定するポインタが一般に必要である
が、以下に述べるように、ルールを指定するポインタは
不要とすることもできる。

取り出すべきポインタ対の選択等については、以下に
述べるような方式が可能である。

第１の方式において、分割制御部25はゴールスタック
31に最先にスタックされた（即ち、スタックの先頭の）
ポインタ対を取り出し、そのゴールポインタが指すセル
スタック32上のゴールに関するゴール情報と、そのルー
ルポインタの内容とを要求元処理装置に送る。

第２の方式において、分割制御部25は第１の方式の場
合と同様にゴールスタック31に最先にスタックされたポ
インタ対を取り出し、プログラム実行部21にその実行を
１ステップ進めるように要求する。

前記の例によれば、第２表のステップ（３）に示す内
容に相当するポインタ対が取り出され、プログラム実行
部21がその先の１ステップを実行することにより、ゴー
ルの先頭の述語selectとルールとマッチする結果、次
ステップのゴールとして、 select（X1,〔2,3,4〕,X3）,check（X1,〔〕）,queens1
（〔1|X3〕，〔X1〕,X0） を得る。

こゝで、ステップ（３）のゴールについては、更に走
査すべきルール（ヘッドがselectのルール）がプログラ
ムに無いので、このステップは完了にしてよい。

分割制御部25は上記で得た新ゴールに関するゴール情
報を要求元処理装置へ送る。この場合に、新ゴールにつ
いてのルールの探索は未だ全く行われていないので、受
取側の処理装置は常にプログラムの先頭から探索する必
要があり、従って探索開始ルールを指定する必要がな
い。

又、この方式によれば、例えば上記のプログラム実行
部21の１ステップの処理で終了するような分枝を、分割
することを避けることができる。

第３の方式において、分割制御部25はゴールスタック
31に有効なポインタ対が保持されていることを識別する
と、プログラム実行部21の処理によって最新に得られる
ゴールについて、そのゴール情報を要求元処理装置へ送
る。この場合も、第２の方式と同様の理由で、ルールの
ポインタは不要である。

例えば、第２表のステップ（５）の処理中に、要求メ
ッセージを受け取った場合には、ステップ（６）に示す
ゴールの出力を持って、このゴールのゴール情報を送出
する。従って、プログラム実行部21はステップ（６）の
処理に進むことなく、例えばゴールスタック31に最後に
スタックされている、ステップ（５）に示す情報のポイ
ンタ対による処理に切り換わる。

第４の方式において、分割制御部25はゴールスタック
31に最近にスタックされたポインタ対を取り出し、これ
について第１の方式の場合と同様に処理する。

例えば、ステップ（６）の時点で要求メッセージを受
け取ると、第２表のステップ（５）に示す内容のルール
ポインタとゴール情報を、要求元処理装置へ送る。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によれば、PROL
OGプログラム等の並列処理が、プログラミング等で特別
の考慮をする必要無く、自動的に効率良い処理分割によ
り並列処理されるので、情報処理システムの性能、効率
を改善するという著しい工業的効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例システムの構成図、 第２図は処理装置の一構成例のブロック図である。 図において、 １〜４は処理装置、５〜８は通知線、９は交換機構、10
は記憶装置、11は入出力装置、20は受信部、21はプログ
ラム実行部、22は通知制御部、25は分割制御部、26は送
信部、27は処理部、28は記憶部、30はプログラム域、31
はゴールスタック、32はセルスタック、33は作業域を示
す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 板敷 晃弘 川崎市中原区上小田中1015番地 富士通 株式会社内 (72)発明者 久門 耕一 川崎市中原区上小田中1015番地 富士通 株式会社内 (72)発明者 相馬 行雄 川崎市中原区上小田中1015番地 富士通 株式会社内 (56)参考文献 電子通信学会技術研究報告（電子計算 機），Ｖｏｌ．82，Ｎｏ．142，1982− 10−12，社団法人電子通信学会，Ｐ．43 −52（ＥＣ82−43) 「第29回（昭和59年後期）全国大会講 演論文集（Ｉ）」（特許庁資料館昭和59 年９月21日受入），社団法人情報処理学 会，Ｐ．249−250 「第29回（昭和59年後期）全国大会講 演論文集（Ｉ）」（特許庁資料館昭和59 年９月21日受入），社団法人情報処理学 会，Ｐ．255−256 「第27回（昭和58年後期）全国大会講 演論文集（Ｉ）」（特許庁資料館昭和59 年５月28日受入），社団法人情報処理学 会，Ｐ．387−388

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１以上のルールからなるデータから、質問
   データと所定の関係を満足するルールを探索し、該所定
   の関係を満足するルールが複数存在するときには、その
   中の１のルールを選択し、選択されなかったルールを指
   定する情報を該質問データと組み合わせてスタックに格
   納し、該選択されたルールと該質問データとに基づいて
   次の質問データを作成する処理を反復する処理装置を複
   数台有する情報処理システムにおいて、 １の処理装置が該選択された１の質問データについての
   上記処理をするに際して、上記所定の関係を有する２以
   上のルールがあることを検出した場合、当該質問データ
   と当該検出した２以上のルールの中の選択した１のルー
   ルとから作成される質問データに対する探索処理は当該
   処理装置にて実行し、他の処理装置から遊び状態である
   旨の通知があったときに、当該検出した２以上のルール
   の中の選択されなかったルールに基づく探索処理を当該
   他の処理装置に実行させるために、他の処理装置での実
   行に必要な情報を他の処理装置へ通知するように構成さ
   れてなり、 さらに上記通知する情報は、最先にスタックに格納され
   た、選択されなかったルールを指定する情報、および該
   最先にスタックに格納された、選択されなかったルール
   を指定する情報と組み合わせてスタックに格納された質
   問データとからなることを特徴とする並列処理方式。