JPH1031604A - 共有メモリシステム並びにデータベースシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のアプリケーションプロセスから共有メ
モリの参照・更新をするのに、データベース管理システ
ムによるのではポインタ計算などのため、オーバヘッド
が大きく、実メモリの利用効率も悪い。 【解決手段】 共有メモリ１０をマッピングするアドレ
スを固定とし、各アプリケーションプロセス１２による
データの参照をポインタ値で行う。この共有メモリのア
クセスの同期・排他制御には、共有メモリのデータをブ
ロック単位又はページ単位で読み書き可能にするマネー
ジャプロセス１１を設け、アプリケーションプロセスは
読み出し専用とし、共有メモリのデータ更新は、１ブロ
ックの更新用メモリに共有メモリの該等ブロックをコピ
ーしておき、更新用メモリに対してデータの更新を行
い、マネージャプロセスが更新用メモリをブロック毎に
対応する共有メモリのブロックにコピーする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オブジェクト指向
システムのオブジェクトのような複雑な参照関係をもつ
データを共有するための共有メモリシステム、並びに、
共有メモリシステムに対するトランザクション処理のた
めのデータベースシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】

（Ａ）共有メモリシステム（オブジェクト）について。

【０００３】オブジェクト指向システムでは、複雑な参
照関係をもつオブジェクト構造を協調して働く複数のプ
ロセスから同時に参照・更新できることが求められる。

【０００４】現在、このような共有オブジェクトは市販
のオブジェクト指向データベース管理システム（０ｂｊ
ｅｃｔ ０ｒｉｅｎｔｅｄ Ｄａｔａ Ｂａｓｅ Ｍａ
ｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ，ＯＯＤＢＭＳ）を使
って実現されている。

【０００５】オブジェクトの参照関係は、単純にはＣ＋
＋言語のポインタを用いて実現できる。しかし市販のＯ
ＯＤＢＭＳでは、図１６に示すように、特別な参照構造
（レファレンス）を作って参照関係をアプリケーション
プロセスのアドレス空間から独立させている。

【０００６】この方法ではＣＰＵのアドレス空間を超え
る大きなオブジェクト構造を作れるなどのメリットもあ
るが、内部的には参照をたどるたびにポインタを計算す
るような形になるのでオーバーヘッドが大きい。また、
使い慣れたポインタの代わりにＯＯＤＢＭ特有のレファ
レンスを使用するのでコードが書きにくい問題もある。

【０００７】上記の欠点を補うため、参照構造を言語機
能に隠してポインタ同様に扱えるようにし、さらにＯＳ
の仮想記憶機構を利用してポインタ計算をぺ一ジ（仮想
記憶の入れ替え単位）ごとに一括して行うようにしてい
るものも存在する（例：０ｂｊｅｃｔＳｔｏｒｅ（Ｔ
Ｍ））。

【０００８】この場合は、図１７に示すように、べ一ジ
のロード（実メモリへの読み込み）時にだけポインタ計
算が行われるのでアクセスごとに計算するよりは効率が
よい。

【０００９】（Ｂ）同期・排他制御機構について。

【００１０】共有オブジェクトを参照・書替えするの
に、複数のプロセスが共有メモリに安全にアクセスでき
るための同期・排他制御機構が必要となる。

【００１１】この機構は、市販のＯＯＤＢＭＳではトラ
ンザクションという処理単位によって実現している。ト
ランザクションでは、図１８に示すように、データベー
ス処理の最小単位とされ、１トランザクション中のデー
タベースへの更新は全て反映される（コミットの場合）
か、全く反映されない（アボートの場合）かの何れかに
なるようにされる。

【００１２】この機構の実現のため、図１９に示すよう
に、トランザクションではデータベースの読み書きに対
してオブジェクトをロックし（通常、同一べ一ジ内の他
のオブジェクトも同時にロックされる）、トランザクシ
ョンが終了するまで他のトランザクションが該当のオブ
ジェクトにアクセスできないようにする。但し、読み出
しは複数のトランザクションから同時にできる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】

（第１の課題）市販のＯＯＤＢＭＳが提供する大規模な
オブジェクト構造は、多くの利用には必要なくオーバー
スペックである。

【００１４】一方、現状のシステムでは、参照へのアク
セスごと、あるいはべ一ジのロードごとにポインタ計算
が必要で参照関係を利用するためのオーバーへッドが大
きい。頻繁に参無関係を追うシステムや性能を要求され
るリアルタイムシステムではこのオーバーヘッドは無視
できない。

【００１５】また、ページごとにポインタ計算をする方
法では、実メモリ上に存在するページの内容はプロセス
ごとにポインタ値が異なるものになるため、実メモリ上
のページ実体をプロセス間で共有するこどができず、実
メモリの利用効率が悪い。

【００１６】本発明の目的は、オーバーヘッドを小さく
してデータを参照できる共有メモリシステムを提供する
ことにある。

【００１７】本発明の他の目的は、実メモリの利用効率
を高めた共有メモリシステムを提供することにある。

【００１８】（第２の課題）複数のプロセスが共有メモ
リに安全にアクセスできるための同期・排他制御機構に
ついて、トランザクションがオブジェクトをロックする
と他のトランザクションからは該等オブジェクトにアク
セスできなくなり、ロックが解除されるまで待たなけれ
ばならない。これは高性能を求められるリアルタイムシ
ステムでは問題である。

【００１９】一方、監視制御システムでは、オブジェク
トを参照するプロセスは多いが特定のオブジェクトを更
新するプロセスは少ないことが多い。したがって、読み
出し時にロックが掛からないようにすることで性能の向
上が期待できる。

【００２０】本発明の他の目的は、共有メモリシステム
に対するアクセス効率を高めたデータベースシステムを
提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】

（第１の発明）本発明は、複数のアプリケーションプロ
セスから共有メモリのデータを参照するにおいて、前記
共有メモリをマッピングするアドレスを固定とし、各ア
プリケーションプロセスによるデータの参照をポインタ
値で行うことを特徴とする。

【００２２】（第２の発明）本発明は、複数のアプリケ
ーションプロセスから共有メモリのデータを参照・更新
するにおいて、前記共有メモリをマッピングするアドレ
スを固定とし、前記共有メモリのデータをブロック単位
で読み書き可能にするマネージャプロセスを設け、前記
アプリケーションプロセスは前記共有メモリに対してブ
ロック単位の読み出し専用とし、前記アプリケーション
プロセスによる共有メモリのデータ更新は、１ブロック
の更新用メモリに前記共有メモリの該等ブロックをコピ
ーしておき、前記更新用メモリに対してデータの更新を
行い、前記マネージャプロセスは前記更新用メモリをブ
ロック毎に対応する共有メモリのブロックにコピーする
ことを特徴とする。

【００２３】（第３の発明）本発明は、複数のアプリケ
ーションプロセスから共有メモリのデータを参照・更新
するにおいて、前記共有メモリをマッピングするアドレ
スを固定とし、前記共有メモリのデータをブロック内の
ページ単位で読み書き可能にするマネージャプロセスを
設け、前記アプリケーションプロセスは前記共有メモリ
に対してページ単位の読み出し専用とし、前記アプリケ
ーションプロセスによる共有メモリのデータ更新は、１
ページの更新用メモリに前記共有メモリの該等ページを
コピーしておき、前記更新用メモリに対してデータの更
新を行い、前記マネージャプロセスは前記更新用メモリ
をページ毎に対応する前記共有メモリのページにコピー
することを特徴とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）…共有メモリシステム。

【００２５】最近の３２ｂｉｔＯＳ（Ｗｉｎｄｏｗｓ、
ＮＴなど）では、各プロセスに４Ｇｂｙｔｅのアドレス
空間が与えられており、これは、アドレス空間を使い捨
てにしない眼り、通常のアプリケーションには十分なサ
イズである。

【００２６】またＯＳの機能として特定のアドレスにメ
モリをマッピングして共有する機能が提供されている。

【００２７】本実施形態では、これら機能を利用して、
システムのすべてのプロセスで共有メモリを同じアドレ
スにマッピングする固定アドレス方式とする。この状態
は、図１に示すようになり、プロセス１及びプロセス２
がディスクで示す共有メモリ３のオブジェクトデータを
共有するのに、固定アドレスで参照できる。

【００２８】こうすることで、オブジェクトはすべての
プロセスから同じアドレスに見え、参照関係を単なるポ
インタで構築することができる。

【００２９】なお、マッピングは全体を一括してマップ
しておけばよい。そうすることでＯＳの仮想記憶機構に
より実際の使用状況に応じて効率的に実メモリを利用す
ることができる。

【００３０】以上のとおり、本実施形態によれば、共有
メモリをマッピングするアドレスを固定したことにより
参照関係を単なるポインタ値とすることができる。これ
により、 （１）参照関係を作るのに特別なデータ構造（レファレ
ンス）を使う必要がなくなる。

【００３１】（２）アクセスのためにポインタ計算をす
る必要がなくなる。

【００３２】（３）実メモリ上のべ一ジをプロセス間で
共有でき、実メモリの利用効率が良くなる。

【００３３】（第２の実施形態）…基本的なトランザク
ション処理。

【００３４】図２は、本発明におけるデータベースシス
テムの構成を示す。本システムは、固定アドレスマッピ
ングになる共有メモリ１０を生成管理するマネージャプ
ロセス１１と、マッピングして利用する複数のアプリケ
ーションプロセス１２からなる。ハードディスク１３
は、共有メモリ１０の仮想記憶手段にされる。

【００３５】共有メモリ１０は、マネージャプロセス１
１では読み書き可能に、アプリケーションプロセス１２
では読み出し専用に、すべてのプロセスでアドレスが同
一になるようにマッピングする。この時、アプリケーシ
ョンプロセス１２ではマッピングはすべて一括してでは
なくマッピングできる最小単位（以下「ブロック」と呼
ぶ。Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴでは６４ＫＢサイズ）ごとに
分割してマッピングする。このマッピング状況は図３に
示すようになる。

【００３６】共有メモリ１０は、すべてのプロセスで同
一アドレスに読み出し可能にマッピングされているので
読み出しに関しては自由にできる。

【００３７】共有メモリ１０を更新するアプリケーショ
ンプロセス１２は以下のような手順を実行する。

【００３８】（１）初めに図４に示すトランザクション
の開始処理を行い、この中で更新用メモリを確保する。
更新用メモリはトランザクション処理中の中間状態を保
持するためのものでトランザクションを実行するアプリ
ケーションプロセスが作り、終了処理時にはマネージャ
プロセスからも参照される。また、開始処理ではアクセ
ス例外の処理を登録する。

【００３９】（２）アプリケーションプロセスは、トラ
ンザクション処理を実行し共有メモリを更新しようとす
るが共有メモリは読み出し専用でマッピングされている
のでＯＳがアクセス例外を発生させる。

【００４０】（３）図５及び図６に示すように、アクセ
ス例外を検出すると、共有メモリの該当アドレスを含む
ブロックがロックされているかどうかチエツクして、ロ
ックされていない場合は該当ブロックをアンマッピング
する。そうして替わりにそのアドレスに更新用メモリの
１ブロックを読み書き可能でマッピングする。このブロ
ックにはアンマッピングされた元の共有メモリの内容を
コピーしておく。さらに、更新用メモリが共有メモリの
どこを代替したかは記録しておく。

【００４１】書き込もうとしたブロックがすでにロック
されている場合にはデッドロックを避けるためトランザ
クションを一旦失敗させトランザクションの初めから再
実行する。

【００４２】（４）例外処理から戻ると例外の原因とな
った更新処理から再実行され、今度は読み書き可能にな
っているので正常に実行される。この時点で該当アプリ
ケーションプロセスからは共有メモリが更新されたよう
に見えるが、他のプロセスからは更新されていない。

【００４３】（５）図７乃至図９に示すように、トラン
ザクション処理を終えると終了処理を行い、この中で実
際の更新を行う。終了処理ではマネージャプロセスに更
新用メモリを与え、マネージャでは更新用メモリをブロ
ックごとに対応する共有メモリのブロックにコピーす
る。

【００４４】この際、ブロックをコピーする前にトラン
ザクション実行中の他のプロセスに通知し、各プロセス
で更新前のブロックをローカルにコピーさせる。これに
よって各トランザクションは開始時の共有メモリ状態を
参照することが保証される。更新が完了するとコミット
となり不要になつた更新用メモリはアプリケーションプ
ロセスで破棄される。

【００４５】したがって、本実施形態になるデータベー
スシステムは、共有メモリを各プロセスで同一アドレス
に常時マッピングしており、かつ他プロセスでの書き込
み時にもロックが掛からないように設計しているので読
み出しは何時でもできる。

【００４６】そして、共有メモリ更新時も事前に各トラ
ンザクションで前状態のコピーを作らせているのでトラ
ンザクションではダーティリード（矛盾のあるデータ読
み出し）の問題も回避される。

【００４７】さらに、更新時以外は共有メモリのコピー
がなく、ポインタ計算なども必要ないので効率が良い。

【００４８】（第３の実施形態）…管理単位を小さくし
たトランザクション処理。

【００４９】第２の実施形態の方法では処理の単位がす
べてブロックになっているがＷｉｎｄｏｗｓ ＮＴなど
では、これが６４ＫＢとなり一度にロックしたりコピー
を作るには少し大きい。これをぺ一ジ（ＯＳが仮想記憶
でメモリを入れ替える単位。Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴでは
４４〜８ＫＢサイズ）単位に処理するには、次のように
する。

【００５０】図１０乃至図１３に示すように、第２の実
施形態の項目（３）で、ロックはアクセスしたアドレス
を含むページにチェックするようにする。共有メモリの
アンマッピングと更新用メモリのマッピングはブロツク
単位のままである。ただしコピーはそこでアクセスされ
たページだけ行い、他のページは読み書き禁止状態に設
定しておく。このときのマッピングの切り替えは図１４
に示す。

【００５１】上の結果として、図１５に第２の実施形態
の場合と本実施形態の場合のページ状態遷移のパターン
を示すように、第２の実施形態に比べて、ページ状態の
パターンが増える。まず、すでに更新用メモリにマッピ
ングされたブロックに対して、読み出しでアクセス例号
が発生する場合が出てくる。この時は該当ページをコピ
ーして読み出し専用に設定する。また書き込みでのアク
セス例外でもすでに更新用メモリがマップされている場
合がある。この場合は必要ならば該当ページをコピーし
て読み書き可能に設定する。

【００５２】図１２及び図１３に示すトランザクション
の終了処理では、マネージャプロセスは更新用メモリの
各ブロックで更新されたページだけを共有メモリにコピ
ーする。

【００５３】以上のことから、本実施形態では、ロッ
ク，コピーの単位をページ単位にしているので読み出し
でページコピーする場合もあるが、全体としてのコピー
量は第２の実施形態以下であり、一般的にはさらに効率
が良い。

【００５４】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、共有メ
モリをマッピングするアドレスを固定としたため、各ア
プリケーションプロセスによるデータの参照をポインタ
値で行うことができ、オーバーヘッドを小さくしてデー
タを参照でき、実メモリの利用効率を高めることができ
る。

【００５５】また、本発明は、共有メモリのデータをブ
ロック又はページ単位で読み書き可能にするマネージャ
プロセスを設け、アプリケーションプロセスによる共有
メモリのデータ更新は、マネージャプロセスを介してブ
ロック又はページ単位で行うようにしたため、書込みで
ロックが掛からないようにして読み出し時にロックが掛
からないようになり、共有メモリシステムに対するアク
セス効率を高めることができる。

【００５６】また、共有メモリに書込む前に各アプリケ
ーションプロセスでコピーをとることでダーティリード
を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す固定アドレス構造。

【図２】本発明の他の形態を示すシステム構成図。

【図３】実施形態における共有メモリのマッピング。

【図４】実施形態におけるトランザクションの開始処
理。

【図５】実施形態における書込みアクセス例外処理。

【図６】実施形態における書込み時のマッピング切り替
え。

【図７】実施形態におけるトランザクション終了処理。

【図８】図７における前状態の保持処理。

【図９】状態形態におけるトランザクション終了時の処
理。

【図１０】実施形態におけるページ単位処理での書込み
アクセス例外処理。

【図１１】実施形態におけるページ単位処理での読み出
しアクセス例外処理。

【図１２】実施形態におけるページ単位処理でのトラン
ザクション終了処理。

【図１３】図１２における前状態の保持処理。

【図１４】コピーをページ単位にした書込み時のマッピ
ング切り替え。

【図１５】実施形態におけるページ状態遷移のパター
ン。

【図１６】従来のレファレンスによる共有オブジェクト
の参照。

【図１７】従来のロード時にポインタ計算をする方法。

【図１８】従来のトランザクション。

【図１９】従来のトランザクションとロック。

【符号の説明】

１、２、１２…アプリケーションプロセス ３、１０…共有メモリ １１…マネージャプロセス １３…ハードディスク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のアプリケーションプロセスから共
   有メモリのデータを参照するにおいて、前記共有メモリ
   をマッピングするアドレスを固定とし、各アプリケーシ
   ョンプロセスによるデータの参照をポインタ値で行うこ
   とを特徴とする共有メモリシステム。
2. 【請求項２】 複数のアプリケーションプロセスから共
   有メモリのデータを参照・更新するにおいて、前記共有
   メモリをマッピングするアドレスを固定とし、前記共有
   メモリのデータをブロック単位で読み書き可能にするマ
   ネージャプロセスを設け、前記アプリケーションプロセ
   スは前記共有メモリに対してブロック単位の読み出し専
   用とし、前記アプリケーションプロセスによる共有メモ
   リのデータ更新は、１ブロックの更新用メモリに前記共
   有メモリの該等ブロックをコピーしておき、前記更新用
   メモリに対してデータの更新を行い、 前記マネージャプロセスは前記更新用メモリをブロック
   毎に対応する共有メモリのブロックにコピーすることを
   特徴とするデータベースシステム。
3. 【請求項３】 複数のアプリケーションプロセスから共
   有メモリのデータを参照・更新するにおいて、前記共有
   メモリをマッピングするアドレスを固定とし、前記共有
   メモリのデータをブロック内のページ単位で読み書き可
   能にするマネージャプロセスを設け、前記アプリケーシ
   ョンプロセスは前記共有メモリに対してページ単位の読
   み出し専用とし、前記アプリケーションプロセスによる
   共有メモリのデータ更新は、１ページの更新用メモリに
   前記共有メモリの該等ページをコピーしておき、前記更
   新用メモリに対してデータの更新を行い、 前記マネージャプロセスは前記更新用メモリをページ毎
   に対応する前記共有メモリのページにコピーすることを
   特徴とするデータベースシステム。