Uma infraestrutura para aplicações distribuídas baseadas em atores Scala

• Main Author: Thiago Henrique Coraini
• Other Authors: Francisco Carlos da Rocha Reverbel
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2011
• Subjects: Computação Distribuída; Modelo de Atores; Scala; Actor Model; Distributed Computing
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/45/45134/tde-18032012-134507/

Escrever aplicações concorrentes é comumente tido como uma tarefa difícil e propensa a erros. Isso é particularmente verdade para aplicações escritas nas linguagens de uso mais disseminado, como C++ e Java, que oferecem um modelo de programação concorrente baseado em memória compartilhada e travas. Muitos consideram que o modo de se programar concorrentemente nessas linguagens é inadequado e dificulta a construção de sistemas livres de problemas como condições de corrida e deadlocks. Por conta disso e da popularização de processadores com múltiplos núcleos, nos últimos anos intensificou-se a busca por ferramentas mais adequadas para o desenvolvimento de aplicações concorrentes. Uma alternativa que vem ganhando atenção é o modelo de atores, proposto inicialmente na década de 1970 e voltado especificamente para a computação concorrente. Nesse modelo, cada ator é uma entidade isolada, que não compartilha memória com outros atores e se comunica com eles somente por meio de mensagens assíncronas. A implementação mais bem sucedida do modelo de atores é a oferecida por Erlang, a linguagem que (provavelmente) explorou esse modelo de forma mais eficiente. A linguagem Scala, surgida em 2003, roda na JVM e possui muitas semelhanças com Java. No entanto, no que diz respeito à programação concorrente, os criadores de Scala buscaram oferecer uma solução mais adequada. Assim, essa linguagem oferece uma biblioteca que implementa o modelo de atores e é fortemente inspirada nos atores de Erlang. O objetivo deste trabalho é explorar o uso do modelo de atores na linguagem Scala, especificamente no caso de aplicações distribuídas. Aproveitando o encapsulamento imposto pelos atores e a concorrência inerente ao modelo, propomos uma plataforma que gerencie a localização dos atores de modo totalmente transparente ao desenvolvedor e que tem o potencial de promover o desenvolvimento de aplicações eficientes e escaláveis. Nossa infraestrutura oferece dois serviços principais, ambos voltados ao gerenciamento da localização de atores: distribuição automática e migração. O primeiro deles permite que o programador escreva sua aplicação pensando apenas nos atores que devem ser instanciados e na comunicação entre esses atores, sem se preocupar com a localização de cada ator. É responsabilidade da infraestrutura definir onde cada ator será executado, usando algoritmos configuráveis. Já o mecanismo de migração permite que a execução de um ator seja suspensa e retomada em outro computador. A migração de atores possibilita que as aplicações se adaptem a mudanças no ambiente de execução. Nosso sistema foi construído tendo-se em mente possibilidades de extensão, em particular por algoritmos que usem o mecanismo de migração para melhorar o desempenho de uma aplicação. === Writing concurrent applications is generally seen as a dificult and error-prone task. This is particularly true for applications written in the most widely used languages, such as C++ and Java, which offer a concurrent programming model based upon shared memory and locks. Many claim that the way concurrent programming is done in these languages is inappropriate and makes it harder to build systems free from problems such as race conditions and deadlocks. For that reason, and also due to the popularization of multi-core processors, the pursuit for tools better suited to the development of concurrent applications has increased in recent years. An alternative that is gaining attention is the actor model, originally proposed in the 1970s and focused specifically in concurrent computing. In this model, each actor is an isolated entity, which does not share memory with other actors and communicates with them only by asynchronous message passing. The most successful implementation of the actor model is likely to be the one provided by Erlang, a language that supports actors in a very efficient way. The Scala language, which appeared in 2003, runs in the JVM and has many similarities with Java. Its creators, however, sought to provide a better solution for concurrent programming. So the language has a library that implements the actor model and is heavily inspired by Erlang actors. The goal of this work is to explore the usage of the actor model in Scala, speciffically for distributed applications. Taking advantage of the encapsulation imposed by actors and of the concurrency inherent to their model, we propose a platform that manages actor location in a way that is fully transparent to the developer. Our proposed platform has the potential of promoting the development of efficient and scalable applications. Our infrastructure offers two major services, both aimed at managing actor location: automatic distribution and migration. The first one allows the programmer to write his application thinking only about the actors that must be instantiated and about the communication among these actors, without being concerned with where each actor will be located. The infrastructure has the responsibility of defining where each actor will run. It accomplishes this task by using some configurable algorithm. The migration mechanism allows the execution of an actor to be suspended and resumed in another computer. Actor migration allows applications to adapt to changes in the execution environment. Our system has been built with extension possibilities in mind, and particularly to be extended by algorithms that use the migration mechanism to improve application performance.