Σχεδιασμός και υλοποίηση συστήματος STM με γρήγορη πρόσβαση μεταδεδομένων

Πιπίνης, Κωνσταντίνος; Pipinis, Konstantinos

dc.contributor.author	Πιπίνης, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Pipinis, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2020-11-25T08:48:24Z
dc.date.available	2020-11-25T08:48:24Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52055
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19753
dc.rights	Default License
dc.subject	Transactional memory	en
dc.subject	Software transactional memory	en
dc.subject	Parallel programming	en
dc.subject	Synchronization schemes	en
dc.subject	StandawayTM	en
dc.subject	Παράλληλος προγραμματισμός	el
dc.subject	Συναλλακτική μνήμη	el
dc.subject	Σχήμα συγχρονισμού	el
dc.subject	Πολυνηματική επεξεργασία	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.title	Σχεδιασμός και υλοποίηση συστήματος STM με γρήγορη πρόσβαση μεταδεδομένων	el
dc.contributor.department	CSLab	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Computer Science	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-20
heal.abstract	Καθώς ο νόμος του Moore φτάνει στα όριά του και οδηγούμαστε σε πολυπύρηνα επεξεργαστικά συστήματα, ο νόμος του Amdahl φαίνεται να παίζει κυρίαρχο ρόλο στον χρόνο εκτέλεσης απαιτητικών εφαρμογών. Για την υλοποίηση παράλληλων προγραμμάτων έχουν σχεδιαστεί διάφορες τεχνικές συγχρονισμού όπως σημαφόροι, κλειδώματα, mutexes, φράγματα και ατομικές εντολές. Όμως όλα αυτά τα συστήματα προϋποθέτουν γνώση από τον προγραμματιστή των διαφόρων race conditions και data dependencies σε κάθε φάση εκτέλεσης του προγράμματος. Το Transactional Memory (TM) είναι μία μέθοδος συγχρονισμού που προτάθηκε για να απελευθερώσει τον προγραμματιστή από την δυσκολία υλοποίησης παράλληλων προγραμμάτων φροντίζοντας αυτόματα για τον συγχρονισμό του παράλληλου κώδικα. Για την χρήση ΤΜ ο προγραμματιστής ορίζει μία περιοχή (atomic block) ως transactional η οποία θα εκτελεστεί ατομικά σε σχέση με τις υπόλοιπες περιοχές που έχει ο ίδιος ορίσει ομοίως. Έχουν προταθεί δύο βασικές μορφές TM. ΤΜ υλοποιημένο σε Software (STM) και ΤΜ υλοποιημένο σε hardware (HTM), ενώ έχουν προταθεί TMs τα οποία είναι μερικώς υλοποιημένα σε software και μερικώς σε hardware (Hybrid Transactional Memory). Προτερήματα και ελαττώματα του κάθε συστήματος έχουν μελετηθεί εκτενώς από την βιβλιογραφία. Σε αυτήν την διπλωματική εργασία εστιάζουμε στα συστήματα STM που δεν απαιτούν υποστήριξη υλικού. Κάθε σύστημα STM παρακολουθεί τις προσβάσεις μνήμης των threads για να αποφανθεί αν υπάρχει ή όχι παραβίαση της ατομικότητας, αν δηλαδή κατά την εκτέλεση ενός atomic block (transaction) κάποιο άλλο thread έχει επηρεάσει τις θέσεις μνήμης που αυτό το block κάνει access. Το STM σύστημα συνήθως κρατάει μεταδεδομένα (metadata) για να βρίσκει τις παραβιάσεις ατομικότητας, όπως logs ή Bloom Filters με τις θέσεις μνήμης που κάθε thread έχει γράψει ή διαβάσει. Ωστόσο, κάθε access στην μνήμη μέσω STM είναι συνήθως πολύ πιο ακριβό από το αντίστοιχο access χωρίς STM, αφού τόσο η αναζήτηση στα logs όσο και τα Bloom Filters για την εύρεση παραβίασης της ατομικότητας είναι μία ακριβή διαδικασία. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός Software Transactional Memory (STM) συστήματος σε C ονόματι StandawayTMs. Με το StandawayTM προτείνουμε έναν νέο τρόπο αποθήκευσης αυτών των metadata που επιτρέπει την αναγνώριση παραβίασης ατομικότητας σε σταθερό χρόνο καθώς και πολύ μικρό overhead σε κάθε access την μνήμης μέσο STM. Μέρος των metadata είναι αποθηκευμένο σε σταθερή απόσταση στην μνήμη από τα δεδομένα στα οποία αναφέρονται. Σε αυτά αποθηκεύονται οι ταυτότητες των threads, και ελέγχονται τα accesses στην μνήμη με λογική ενός γραφέα ή πολλών αναγνωστών. Οι αλλαγές σε αυτά τα metadata γίνονται μέσα από ατομικές εντολές. Σε περίπτωση conflict, το transaction που επιθυμεί να γράψει ή να διαβάσει, οφείλει να αναγνωρίσει το εν λόγο conflict και να κάνει abort. Το StandawayTM παρότι αρκετά γρήγορο, δεν έχει σταθερή απόδοση και εξαρτάται από το εκάστοτε πρόγραμμα σε μεγαλύτερο βαθμό από άλλα STMs. Σε ευνοϊκά προγράμματα, παρατηρείται σημαντική βελτίωση αλλά η μη σταθερή συμπεριφορά του αφήνει χώρο για βελτιώσεις. Με μικρές αλλαγές στην λογική του, μπορούμε να εξασφαλίσουμε το forward guarantee. Επίσης το StandawayTM δεσμεύει πολύ μνήμη, όμως αυτό μπορεί να περιοριστεί με μεθόδους οι οποίες δεν έχουν ακόμα δοκιμαστεί και ελεγχθεί για την επιβάρυνση τους στην ταχύτητά. Στην παρούσα εργασία αρχικά παρέχουμε πληροφορίες σχετικά με το Transactional Memory και μετέπειτα αναλύουμε τον σχεδιασμό του StandawayTM καθώς και τους λόγους που οδήγησαν σε αυτές τις σχεδιαστικές επιλογές. Τέλος, παρουσιάζουμε και εξηγούμε αναλυτικά τα αποτελέσματα πειραματικών μετρήσεων και προτείνουμε επόμενα πιθανά βήματα πάνω στον σχεδιασμό του StandawayTMs.	el
heal.advisorName	Γκούμας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κοζύρης, Νεκτάριος	el
heal.committeeMemberName	Γκούμας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Πνευματικάτος, Διονύσιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	63 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false