CC BY
20
УДК 004.75
С.А. Смирнов
Московский физико-технический институт (государственный университет)
Разработка Grid-сервиса для системы компьютерной алгебры Maxima на основе промежуточного программного обеспечения Ice
Изложены результаты работы по созданию Grid-сервиса компьютерной алгебры на основе системы Maxima (с открытым исходным кодом) средствами промежуточного программного обеспечения Ice (Internet Communications Engine). Данный сервис предоставляет пользователю простой механизм удалённого вызова операций Maxima, а также возможности создания/удаления исполняемых процессов Maxima на удалённом хосте. Статья содержит описание основных способов программного взаимодействия с системой Maxima и принципов реализации сервиса.
Ключевые слова: Maxima, grid-сервис, грид-сервис, символьные вычисления, система компьютерной алгебры, ZeroC Ice.
Maxima [1, 2] — это система работы с символьными и численными выражениями, включающая дифференцирование, интегрирование, разложение в ряд, преобразования Лапласа, обыкновенные дифференциальные уравнения, системы линейных уравнений, многочлены, множества, списки, векторы, матрицы и тензоры. Maxima производит численные расчёты высокой точности, используя точные дроби, целые числа и числа с плавающей точкой произвольной точности. Система позволяет строить графики функций и статистических данных в двух и трёх измерениях. Исходный код Maxima может компилироваться на многих системах, включая Windows, Linux и Mac OSX. На SourceForge доступны исходные коды и исполняемые файлы для Windows и Linux.
Maxima — потомок Macsyma, легендарной системы компьютерной алгебры, разработанной в начале 60-х годов XX века в MIT. Это единственная, основанная на Macsyma, система, все ещё публично доступная и, благодаря своей открытости, имеющая активное сообщество пользователей. В свое время Macsyma произвела переворот в компьютерной алгебре и оказала влияние на многие другие системы, в числе которых Maple и Mathematica.
Несмотря на почтенный возраст и наличие таких мощных конкурентов, как Mathematica, Maple и MATLAB (в котором есть Symbolic Toolbox), популяр-
ность системы не уменьшается и сообщество пользователей системы растёт, в том числе и в России.
В статье будут изложены результаты работы по созданию Grid-сервиса системы компьютерной алгебры Maxima на основе промежуточного программного обеспечения (ППО) Ice [3]. Данный сервис должен предоставить пользователю удобный (программный) механизм удалённого вызова операций Maxima, а также возможности создания/удаления экземпляров Maxima на хосте. В частности, сервис может быть применён для организации распределённых символьных вычислений, например, численных расчётов без ошибок округления.
Рассмотрим те возможности Maxima, что позволяют ей взаимодействовать с другими приложениями в интерактивном режиме. Сложность ситуации в том, что в проекте Maxima пока не документирован протокол взаимодействия с системой и отсутствует соответствующий API. Источником информации послужил анализ исходных кодов графического интерфейса wxMaxima, а также архивы рассылок проекта Maxima.
Было выявлено два способа взаимодействия с системой Maxima: на основе TCP-сокетов или с использованием механизма unnamed pipes. Начнём с первого.
Данный механизм наиболее распространён и использован в wxMaxima и мно-
гих других приложениях, взаимодействующих с Maxima. В механизме присутствуют два процесса, обязательно выполняемых на одном хосте: процесс Maxima и процесс приложения-пользователя, взаимодействующего с Maxima (например, wxMaxima). Процесс приложения-пользователя создаёт TCP-сокет и ждет входящего соединения на известный порт, например, 12345 (рис. 1). Затем запускают процесс Maxima с опцией «-s» но-
мер порта приложения-пользователя >, например, Maxima -s 12345. При этом Maxima создаёт TCP-сокет и подключает его к localhost: 12345. После чего Maxima перенаправляет стандартные потоки ввода/вывода на созданный сокет. В результате приложение-пользователь получает сокет, соединённый с Maxima и ведущий себя как консоль Maxima. Важно отметить, что приложение-пользователь в данной схеме играет роль сервера, обслуживающего запросы процесса Maxima.
■ I I
Рис. 1. UML-диаграмма последовательности запуска и установления соединения с процессом Maxima при использовании сокетов
Во втором способе процесс Maxima запускают как дочерний процесс приложения-пользователя (рис. 2). Стандартные потоки ввода/вывода Maxima открывают в приложении-пользователе как unnamed pipes. Таким образом, появляется доступ к консоли Maxima.
Произведём сравнение описанных способов взаимодействия с Maxima. Поскольку оба способа взаимодействия, начиная с момента подключения к консоли Maxima, становятся более-менее равносильными, сосредоточимся на особенностях самого процесса установления соединения. Для начала перечислим особенности подхода, основанного на сокетах.
1. Сходный API BSD сокетов присутствует в большинстве современных операционных систем.
2. Классы, обеспечивающие переносимое использование сокетов, присутствуют только в составе больших библиотек (например, в ACE).
3. Необходимы отдельные средства для запуска процесса Maxima.
Особенности использования unnamed pipes.
1. Различные платформы имеют различный API для порождения дочерних процессов и для перенаправления стандартных потоков ввода/вывода.
2. Существует небольшая, переносимая, не требующая компиляции библиотека, реализующая описанную выше функциональность (Boost.Process).
В случае сокетов проблема запуска процесса Maxima решается относительно про-
сто — использованием функции system из стандартной библиотеки языка C.
Таким образом, при использовании сокетов либо будет добавлена зависимость от большой библиотеки, либо необходимо будет разработать и протестировать дополнительный программный код, обеспечивающий запуск и установление соединения с процессом Maxima. При этом пере-
несение такого кода на другие платформы будет осуществляться относительно просто благодаря схожему API сокетов. В случае использования unnamed pipes количество нового кода минимально и переносимость обеспечена автоматически, однако будет добавлена зависимость от библиотеки Boost.Process.
Рис. 2. UML-диаграмма последовательности запуска и установления соединения с процессом Maxima при использовании unnamed pipes
В данной работе был выбран второй способ взаимодействия, так как он обеспечивает работу с процессом Maxima с меньшими трудозатратами, добавляя зависимость от сторонней библиотеки, не требующей компиляции.
После подключения к консоли Maxima можно перейти к задаче взаимодействия с системой. Протокол общения через консоль с Maxima довольно прост: в ответ на запрос со стороны Maxima пользователь вводит выражение. Maxima выдаёт некоторый результат. Далее цикл повторяется. Иногда, если пользователь вводит определённые выражения, Maxima ведёт себя нестандартно: не выдаёт ответ или не печатает запрос на следующее действие пользователя. Судя по поведению существующих приложений, взаимодействующих с Maxima, это ошибка текущей версии Maxima. Таким образом, если пользователь придерживается некоторого недокументированного формата выражений, то
протокол взаимодействия с Maxima может быть охарактеризован как запрос-ответ.
Автоматическая обработка консольного вывода Maxima довольно сложна: не просто выделить общий
вид вывода Maxima, представляющий собой результат, или сообщение, или запрос ввода. Согласно
doc/implementation/external-interface.txt из дистрибутива Maxima, в системе присутствует ряд переменных, управляющих выделением значимых фрагментов консольного вывода, что позволяет значительно упростить автоматическую обработку вывода Maxima. Перечислим использованные нами переменные и их смысл:
1) *prompt-prefix* — строка, печатаемая перед каждым запросом на ввод;
2) *prompt-suffix* — строка, печатаемая после каждого запроса на ввод;
3) *alt-display2d* — функция, заменяющая стандартную при печати выражений Maxima в 2-мерном режиме.
Установка этих переменных происходит в файле, написанном на языке Common Lisp, путь к которому указывают при помощи опции —р < Путь к файлу >. Выполнение содержимого данного файла происходит на этапе загрузки Maxima.
В этой статье описывается второй вариант сервиса: ранее уже был реализован аналогичный сервис, обеспечивающий доступ к ресурсу Maxima для первой версии системы распределённых вычислений IARnet (IARnet1) [4, 5]. При этом возник ряд трудностей, связанных с недостатками IARnet1, в частности:
1) весьма примитивный язык описания интерфейсов;
2) необходимость избыточного преобразования указателей;
3) необходимость использовать упрощённый интерфейс вызова операций;
4) отсутствие статической проверки типов.
Переход на ППО Ice решает эти проблемы. Кроме того, Ice был выбран в качестве ППО для новой версии IARnet — IARnet2 [6], что позволит легко перенести существующий сервис на платформу IARnet2.
Перейдём теперь к программной реализации, начав с описания интерфейса сервиса Maxima для Ice, включающего два интерфейса: объекта фабрики и объекта экземпляра Maxima. Изначально пользователь обладает лишь прокси объекта фабрики (создаваемого по известной ссылке на Ice-объект фабрики). По запросу пользователя (launchMaxima) объект фабрики создаёт отдельный экземпляр Maxima и «заворачивает» его в соответствующий объект, прокси которого возвращается пользователю. Объект экземпляра Maxima предоставляет доступ к системе Maxima по принципу запрос-ответ. Описанная схема использования сервиса проиллюстрирована на рис. 3. Описание интерфейса сервиса на языке Slice (принятом в Ice) выглядит следующим образом: module Maxima { exception MaximaError { string reason;
};
interface MaximaResource {
string executeCommand (string command)
throws MaximaError;
string executelnteractive (string command) throws MaximaError; void destroy ();
};
interface MaximaFactory { MaximaResource *launchMaxima () throws MaximaError;
};
};
Опишем операции интерфейса объекта экземпляра Maxima (MaximaResource):
1) executeCommand передает свой аргумент как следующую команду процессу Maxima. Возвращает последний из результатов, выданных Maxima. При ошибке выбрасывается исключение;
2) executeInteractive передает свой аргумент как следующую команду процессу Maxima. Возвращает весь ответ Maxima на данную команду, в том числе и ошибки;
3) destroy уничтожает данный объект вместе с экземпляром Maxima.
В процессе реализации сервиса весь код, отвечающий за взаимодействие с Maxima, был выделен в самостоятельный модуль, что позволило отделить логику, отвечающую за взаимодействие с процессом Maxima, от кода, обеспечивающего интеграцию в распределенную систему. Перечислим особенности реализации модуля, отвечающего за взаимодействие с Maxima.
Как уже отмечалось, при разработке данного модуля был избран способ взаимодействия с консолью Maxima, основанный на использовании unnamed pipes. В основу реализации легла модифицированная нами версия библиотеки Boost.Process [7]. Для упрощения обработки консольного вывода была применена опция — р запуска Maxima с соответствующим файлом (maximag-disp.lisp). В данном файле вывод Maxima был сконфигурирован таким образом, чтобы выделить запросы на ввод, поступающие от Maxima. Вывод был настроен так, чтобы выражения-результаты выделялись особым образом и показывались в одномерном режиме, то есть были подготовлены к новой передаче в Maxima. Разбор вывода реализован на основе регулярных выражений, предоставляемых библиотекой Boost.Regex [7].
Перейдём теперь к вопросам реализации модуля, отвечающего за интеграцию Maxima в Ice. Данный модуль включает специальные программные компонен-
ты (servants), ответственные за реализацию объектов фабрик и объектов экземпляров. Также модуль содержит реализацию IceBox-сервиса. Последний отвечает за создание отдельного объектного адаптера Ice, а также позволяет инкапсулировать весь сервис Maxima в отдельную динамически загружаемую библиотеку. Объ-
ект фабрики создаёт объекты экземпляров Maxima путём простого создания экземпляра соответствующего класса реализации и его активации в объектном адаптере. Всё взаимодействие с Maxima в объекте фабрики и в объекте экземпляра сведено к вызову соответствующих операций объектов из первого модуля.
client: Maxima Factory: Maxima Instance:
launchMaximaO
__________proxy_____________
construct
executeCom
nijiand("3+4")
I
. _ _|_T _
I
destrovO
к
I
Рис. 3. UML-диаграмма последовательности использования Grid-сервиса системы Maxima
В результате проведения данной работы был реализован сервис системы компьютерной алгебры Maxima для Ice, удовлетворяющий ряду требований:
1. Организация интерактивного взаимодействия с Maxima по схеме запрос-ответ.
2. Приведение вывода Maxima к виду, допускающему автоматическую обработку.
3. Каждому экземпляру Maxima должен соответствовать отдельный Ice-объект.
4. Наличие объекта фабрики, обеспечивающего динамическое создание и получение экземпляров Maxima.
Благодаря технологиии Ice созданный сервис может быть использован программным образом из приложений на всех языках высокого уровня, поддерживаемых данным инструментарием (C+—+, Java, Python, C#, Ruby и т. п.).
В будущем планируется перенос сервиса на платформу IARnet2, а также ряд других улучшений: создание центральной фабрики (реестра фабрик), передача фай-
лов между экземплярами Maxima, исправление ошибок, а также возможность прерывания выполнения команды.
Программный код описанного в статье Grid-сервиса можно загрузить с сайта http://dcs.isa. ru/ ~ ssmir
Литература
1. Житников В. Компьютеры, математика и свобода // Компьютерра. — 2006. — № 16 (636). — С. 40-43.
2. Тарнавский Т. Maxima: максимум
свободы символьных вычислений (цикл статей) // LinuxFormat. — 2006.
№ 81-86.
3. Henning M. A New Approach to Object-Oriented Middleware // IEEE Internet Computing. — 2004. — V. 8, N. 1. — P. 66-75.
4. Емельянов С.В., Афанасьев А.П., Волошинов В.В. [и др.]. Реализация Grid-вычислений в среде IARnet // Информационные технологии и вычислительные системы. — 2005. — № 2. — С. 61-75.
5. Волошинов В.В., Естехин О.С., Су-хорослов О.В. Архитектура и принципы
реализации системы IARnet // Проблемы вычислений в распределенной среде: Модели обработки и представления данных. Динамические системы / / Труды ИСА РАН. — 2005. — Т. 14. — С. 13-25.
6. Sukhoroslov O.V. On using Ice middleware in the IARnet framework //
XXI International Symposium on Nuclear Electronics & Computing (NEC’2007): Abstracts. — 2007. — P. 48.
7. Karlsson B. Beyond the C++ Standard Library: An Introduction to
Boost. — Addison-Wesley Professional, 2006.
Поступила в редакцию 28.12.2007.
