Eine Algebra für Cache-Modelle zum methodenbasierten Caching im Applikationsserver-Bereich

Der vorliegende Bericht behandelt vornehmlich die formalen Aspekte für ein Verfahren zur Spezifikation von Schreib-Lese-Abhängigkeiten für Methoden aus objektorientierten Dienstschnittstellen. Die Spezifikation der Schreib-Lese-Abhängigkeiten wird mit Hilfe sogenannter Cache-Modelle repräsentiert; sie bestimmen, in welcher Weise ein Methodenaufruf von einem anderen Methodenaufruf bei der Nutzung der Dienstschnittstelle abhängt. Cache-Modelle spielen eine wichtige Rolle beim konsistenten Cachen von Methodenresultaten auf der Klientenseite eines Applikationsserver-Systems. Ein Applikationsserver ist im Kontext dieses Berichts ein Server oder Dienstgeber, der für entfernte Klienten eine objektorientierte Dienstschnittstelle mit Methoden anbietet. Genauer besteht die Dientschnittstelle dabei aus einer Menge abstrakter Klassen mit stark typisierten Methodensignaturen. Ein methodenbasierter Cache dient zur Verbesserung vor allem der Antwortzeiten eines Applikationsserversystems und hält bereits einmal berechnete Methodenresultate von lesenden Aufrufen bezüglich der Dienstschnittstellen beim Klienten vor. Bei einem wiederholten Methodenaufruf vom Klienten kann das Resultat des Aufrufs aus dem methodenbasierten Cache geholt werden. Sofern der Aufruf mit den gleichen Argumenten wie zuvor stattfindet und sofern das vorgehaltene Resultat gültig ist, muss der eigentlich entfernte Methodenaufruf dann nicht an den Applikationsserver gesendet werden. Eines der größten Probleme beim methodenbasierten Caching ist die Gültigkeit der beim Klient vorgehaltenen Methodenresultate zuzusichern: Das Resultat aus dem Cache sollte identisch sein zu dem Resultat, das der entsprechende lesende Methodenaufruf bei Übergabe an den Applikationsserver liefern würde. "Lesend" bedeutet hier hauptsächlich, dass der Aufruf den Zustand des Applikationsserver garantiert nicht verändert. Um lesende Methodenaufrufe bzw. Methoden zu bestimmen und um ungültig gewordene Methodenresultate aus dem Cache entfernen zu können, spezifiziert ein Anwendungsentwickler ein Cache-Modell bezüglich der vorhandenen Dienstschnittstelle. Das Cache-Modell identifiziert solche Methoden, die ausschließlich lesen und gibt vor, wie die Abhängigkeiten zwischen schreibenden und lesenden Methoden im Klienten berechnet bzw. abgeschätzt werden können. Dies geschieht auf der Basis eines Formalismus, der im Rahmen des Berichts diskutiert wird. Bei der Spezifikation von Cache-Modellen ist es wichtig, dass diese korrekt sind, das heißt, das sie die tatsächlichen Scheib-Lese-Eigenschaften der Implementierungen der Dienstmethoden reflektierten. Ansonsten besteht die Gefahr, dass ein methodenbasierter Cache ungültige Methodenresultate an den Klienten zurückliefert oder nicht alle schreibenden Methodenaufrufe für notwendige Zustandsveränderungen an den Applikationsserver delegiert. Um die Korrektheit von Cache-Modellen abzusichern, wird hier ein einfaches, wenig aufwändiges Testverfahren vorgeschlagen. Streng genommen, kann damit allerdings nur die Anwesenheit von Fehlern in einem Cache-Modell nachgewiesen werden (also Inkorrektheit) und nicht deren Abwesenheit. Der Entwickler eines Cache-Modells hat zahlreiche Freiheitsgrade bei der Entwicklung eines Cache-Modells, denn es gibt im Allgemeinen viele korrekte Cache-Modelle zu einer Dienstschnittstelle. Weniger "präzise" Cache-Modelle schätzen die Schreib-Lese-Eigenschaften von Dienstmethoden sehr grob (aber konservativ) ab und sind mit geringem Aufwand zu erstellen. Der resultierende Nachteil sind eventuell häufige und unnötige Invalidierungen im Cache und geringe Cache-Trefferraten. Präzisere Cache-Modelle hingegen führen meist zu besseren Trefferraten, sind aber aufwändiger zu spezifizieren. Der Bericht formalisiert alle angesprochenen Aspekte von Cache-Modellen also deren Struktur, den Korrektheitsbegriff sowie die Präzision. Letztere wird dabei als eine Ordnungsrelation auf der Menge der korrekten Cache-Modelle zu einer gegebene Dienstschnittstelle eingeführt. Neben der Wahl der Präzision gibt es auch die Möglichkeit, dass mehrere Entwickler verschiedene, aber korrekte Cache-Modelle zur gleichen Dienstschnittstelle definieren. Unter anderem kann damit eine Art Arbeitsteilung für die Entwickler erreicht werden, so dass diese sich relativ unabhängig voneinander auf verschiedene Teile der Dienstschnittstelle konzentrieren. Die korrekten Cache-Modelle können dann durch eine besondere Vereinigungsoperation zu einem gemeinsamen und korrekten Cache-Modell zusammengeführt werden, dass mindestens so präzise ist wie jedes der Operandenmodelle. In diesem Zusammenhang werden drei Vereinigungsoperationen unterschiedlicher Qualität und Komplexität vorgestellt und verschiedene, zum Großteil praxisrelevante algebraische Eigenschaften für diese nachgewiesen. Darüber hinaus wird die Möglichkeit zur Normalisierung von Cache-Modellen untersucht, die allerdings vornehmlich von theoretischem Interesse ist. Abschließend handelt der Bericht einige Detailprobleme ab, die beim praktischen Einsatz eines Methoden-Caches entstehen können

Adaptive Caching of Distributed Components

Die Zugriffslokalität referenzierter Daten ist eine wichtige Eigenschaft verteilter Anwendungen. Lokales Zwischenspeichern abgefragter entfernter Daten (Caching) wird vielfach bei der Entwicklung solcher Anwendungen eingesetzt, um diese Eigenschaft auszunutzen. Anschliessende Zugriffe auf diese Daten können so beschleunigt werden, indem sie aus dem lokalen Zwischenspeicher bedient werden. Gegenwärtige Middleware-Architekturen bieten dem Anwendungsprogrammierer jedoch kaum Unterstützung für diesen nicht-funktionalen Aspekt. Die vorliegende Arbeit versucht deshalb, Caching als separaten, konfigurierbaren Middleware-Dienst auszulagern. Durch die Einbindung in den Softwareentwicklungsprozess wird die frühzeitige Modellierung und spätere Wiederverwendung caching-spezifischer Metadaten gewährleistet. Zur Laufzeit kann sich das entwickelte System außerdem bezüglich der Cachebarkeit von Daten adaptiv an geändertes Nutzungsverhalten anpassen.Locality of reference is an important property of distributed applications. Caching is typically employed during the development of such applications to exploit this property by locally storing queried data: Subsequent accesses can be accelerated by serving their results immediately form the local store. Current middleware architectures however hardly support this non-functional aspect. The thesis at hand thus tries outsource caching as a separate, configurable middleware service. Integration into the software development lifecycle provides for early capturing, modeling, and later reuse of cachingrelated metadata. At runtime, the implemented system can adapt to caching access characteristics with respect to data cacheability properties, thus healing misconfigurations and optimizing itself to an appropriate configuration. Speculative prefetching of data probably queried in the immediate future complements the presented approach