多核处理器并行程序的确定性重放研究

多核处理器并行程序的确定性重放是实现并行程序调试的有效手段,对并行编程有重要意义.但由于多核架构下存在共享访存不同步问题,并行程序确定性重放的研究依然面临多方面的挑战,给并行程序的调试带来很大困难,严重影响了多核架构下并行程序的普及和发展.分析了多核处理器造成并行程序确定性重放难以实现的关键因素,总结了确定性重放的评价指标,综述了近年来学术界对并行程序确定性重放的研究.根据总结的评价指标,从纯软件方式和硬件支持方式对目前的确定性重放方法进行了分析与对比,并在此基础上对多核架构下并行程序的确定性重放未来的研究趋势和应用前景进行了展望.

支持多核并行程序确定性重放的高效访存冲突记录方法

多核系统中并行程序执行过程的不确定性给程序调试带来了很大的困难.准确记录初始执行中冲突访存的次序是并行程序确定性重放的基础.提出了通过建立精确happens-before关系记录访存冲突的方法.此方法利用简洁高效的地址冲突检测机制确定冲突访存操作在执行中所处happens-before序关系的位置,可以抑制部分记录信息的产生,从而有效减少记录信息.与其他方式方法相比,可以进一步压缩17%的记录条数.采用逻辑向量时钟描述冲突访存操作间的happens-before关系,与采用标量时钟相比,可以避免happens-before关系的误识,降低重放执行时并行度的损失.

一种基于硬件的快速确定性重放方法

针对多核处理器上并行程序执行不确定性所造成的并行调试难问题,提出了一种基于硬件的快速确定性重放方法——时间切割者。该方法采用面向并行的记录机制来区分出原执行中并行执行的访存指令块和非并行执行的指令块,并在重放执行中避免串行执行那些在原执行中并行执行的访存指令块,从而使得重放执行的性能开销小。在多核模拟器Sim-Godson上的仿真实验结果表明:该方法的重放速度快,其性能开销仅为2%左右。此外,该方法还具有硬件支持简单特点,未来有望应用于国产多核处理器研制中。

适用于商用系统环境的低开销确定性重放技术

针对现有确定性重放技术中存在运行时开销大和安全隐患等问题,提出了一种低开销的确定性重放技术。该技术在已有的硬件平台和系统环境下,利用页保护捕获并记录并行程序对共享内存的访问顺序。深入研究了该技术引入的性能开销,针对性地提出了私有锁、私有堆、主动抢占等优化策略。采用PARSEC测试集进行性能评估,实验结果显示该系统引入的开销较小。

基于自适应释放策略的低开销确定性重放方法

针对基于页保护机制的确定性重放方法虽然能够有效降低记录开销,但由于页保护异常仍会引入性能开销的问题,本文深入研究了共享页面访问权限释放同步点对并行程序记录性能的影响,提出了一种基于自适应释放策略的确定性重放方法。采用PARSEC测试集进行性能评估,实验结果表明,该方法能够更进一步降低记录开销。

一种基于访存依赖对的并行重放方法

确定性重放技术能够为并行程序提供复现执行的功能.为了加速重放执行,本文提出一种基于访存依赖对的并行重放方法,该方法通过离线分析记录阶段生成的日志文件,识别出日志文件中具有访存依赖关系的日志项,在重放执行时仅按序执行上述日志项.采用PARSEC测试集进行性能评估,实验结果表明该方法在重放阶段引入的开销较小.

面向无线传感器网络应用的自适应调试方法

传感网技术是物联网得以实现的重要基础.然而,受到资源有限以及程序行为不确定等因素的影响,无线传感器网络上编程和调试的难度尤甚于普通的分布式程序.文中提出了一种面向无线传感器网络程序的源码级错误诊断方法.该方法采用基于全局量计数器的方法进行程序追踪,然后根据追踪日志重放错误执行轨迹,支持属性违反错误的分析和调试.同时,通过依赖分析确定与属性相关的程序片段,并根据系统资源约束以及用户反馈,自适应调整追踪这些程序片段的代码,以满足系统资源的限制,支持错误定位.文中以Open64编译器为基础,实现了一个针对TinyOS操作系统中nesC程序错误诊断的原型系统.实验数据表明,此方法能够有效地控制确定性重放技术的时空开销,有力地支持了无线传感器网络程序中属性违反类型错误的诊断.

基于全局同步逻辑时间的访存依赖约减方法

并发执行的并行多线程程序执行过程中,不同的访存顺序会得到不同的执行结果.由于再次执行时,难以重现首次执行时的错误,导致并行程序的调试非常困难.确定性重放是解决该问题的一种方法,目的是通过记录并行程序执行过程中的不确定性事件,然后利用记录的事件重现出程序的原始执行.然而,已有的确定性重放方法会产生大量的记录日志,如何减小记录日志是确定性重放领域的研究热点,在实际应用中也是非常具有挑战性的问题.为了减小记录日志的开销,文中提出了一种基于逻辑时间的访存依赖约减方法,并在支持松弛存储一致性模型的处理器上提出具体的实现技术,该方法利用了访存依赖对应的逻辑时间之间的序关系进行约减.通过模拟评估所提出方法的性能和可扩展性.其中,在8核模拟平台上,通过Splash2测试程序进行评估,结果显示所提出的记录方法平均日志开销为0.11Bytes/Kilo-Instruction,与目前最好的访存依赖约减方法Timetraveler相比提高了75%;通过4核、8核和16核平台的评估结果,表明所提出约减方法具有较好的可扩展性.

基于硬件辅助的用户态并行程序记录方法

程序调试工作的首要基础是错误可重现,然而并行程序执行过程存在天然的不确定性,尤其在多核处理器上,如何重现并行程序的错误是一个巨大的挑战.现有的方法或记录整个系统的状态或需要细粒度插桩,存在可用性差与运行时开销大等问题.本文首次提出一种基于硬件辅助的面向用户态并行程序的轻量级记录与重放方法,该方法通过软件协助来记录信号、系统调用与操作系统调度相关的序关系;利用硬件记录访存冲突,同时在记录过程中采用基于目录的方法来压缩日志存储.通过在16核模拟平台上评估,本文提出的方法不仅方便了用户态并行程序调试,同时减少了81%的存储日志开销.

多核SMP集群Hybrid并行编程模式的研究与分析

针对采用多核处理器作为SMP集群系统的计算结点的并行计算体系结构,研究了基于MPI/Open MP混合编程模型的并行程序设计的分类实施方法。结合SMP集群体系结构的特点,对Hybrid并行编程模式确定性重放问题进行了研究与分析,得出诸多有价值的结论。