【摘要】：隨著多核系統(tǒng)的不斷發(fā)展,處理器核數(shù)不斷增加,越來越多的軟件將通過并發(fā)來充分利用處理器性能。目前軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并發(fā)的最主要方式是使用線程,線程之間使用鎖進(jìn)行同步。然而基于線程和鎖的并發(fā)編程易于出錯(cuò),研究發(fā)現(xiàn)即使是成熟的開源軟件也存在不少并發(fā)相關(guān)錯(cuò)誤,且這些錯(cuò)誤難以調(diào)試和修復(fù)。如何重現(xiàn)這些錯(cuò)誤具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。記錄和重放來自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自身和外部環(huán)境的不確定性是重現(xiàn)軟件執(zhí)行過程的一個(gè)重要技術(shù)。之前的研究工作對單核系統(tǒng)的記錄和重放已經(jīng)做了比較全面的研究,而對多核系統(tǒng)來說,不同處理器對共享內(nèi)存的訪問順序大大增加了系統(tǒng)的不確定性,我們需要使用確定性重放技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)執(zhí)行的忠實(shí)重現(xiàn)。記錄共享訪存的順序是高效實(shí)現(xiàn)確定性重放的一大挑戰(zhàn),有些研究工作修改硬件來記錄訪存順序,這些工作在現(xiàn)有的硬件上還不能使用；而基于現(xiàn)有硬件的工作其訪存順序的記錄存在可伸縮性問題,隨著處理器核數(shù)的增加,這些系統(tǒng)的性能反而可能下降。在充分分析之前研究工作的基礎(chǔ)上,本文提出了一種基于現(xiàn)有硬件的可伸縮的訪存順序記錄算法,并利用多核全系統(tǒng)模擬器COREMU和二進(jìn)制翻譯工具DynamoRIO實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)和應(yīng)用程序的確定性重放。使用并行基準(zhǔn)測試程序的性能評測表明,本文實(shí)現(xiàn)的確定性重放系統(tǒng)具有良好的可伸縮性。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能,本文還探索了使用硬件事務(wù)內(nèi)存來記錄訪存順序的方法。具體來說,本文做出了如下貢獻(xiàn)：1.分析之前工作提出的訪存順序記錄算法存在伸縮性問題的原因,提出了一種基于現(xiàn)有硬件的可伸縮的訪存順序記錄算法。該算法利用共享對象版本序列化所有的寫操作,并巧妙的記錄了處理器之間的讀后寫順序。算法記錄精確的訪存順序,在記錄順序時(shí)僅需每個(gè)處理器局部的信息和共享對象版本,需要原子性訪問的臨界區(qū)很短,這些特點(diǎn)使得算法具有良好的可伸縮性。2.首次在并行全系統(tǒng)模擬器上實(shí)現(xiàn)確定性重放工具ReEmu。我們對全系統(tǒng)模擬器不確定性的來源做了充分的分析,并針對本文使用的并行全系統(tǒng)模擬器COREMU的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)確定性重放。ReEmu使用類似seqlock的方法實(shí)現(xiàn)了本文提出的可伸縮的訪存順序記錄算法,并嘗試使用鎖聚集優(yōu)化來提高訪存順序記錄的性能。我們使用五個(gè)特性不同的PARSEC并行基準(zhǔn)測試程序評測系統(tǒng)性能,在模擬16個(gè)虛擬核時(shí)ReEmu相比COREMU的平均開銷為68.9%(范圍51.8%--94.7%),模擬從1到16個(gè)虛擬核的運(yùn)行時(shí)間體現(xiàn)了良好的可伸縮性。利用COREMU的跨體系結(jié)構(gòu)的支持,我們還實(shí)現(xiàn)了ARM系統(tǒng)的確定性重放。3.使用DynamoRIO實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序確定性重放工具Dr. Replay,該工具根據(jù)每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的不同語意單獨(dú)記錄和重放,為幫助調(diào)試應(yīng)用程序,Dr.Replay記錄了系統(tǒng)調(diào)用的偏序。本文指出了操作系統(tǒng)與進(jìn)程間除系統(tǒng)調(diào)用之外的隱式交互為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序確定性重放帶來的挑戰(zhàn)。我們使用1-16個(gè)線程記錄PARSEC基準(zhǔn)測試程序的執(zhí)行,Dr. Replay同樣顯示了良好的可伸縮性。Dr. Replay記錄程序執(zhí)行的運(yùn)行時(shí)間平均為原生執(zhí)行的14.8倍(最低11.6倍,最高19.8倍),比同樣使用二進(jìn)制翻譯的應(yīng)用程序確定性重放工具PinPlay有著更好的性能。4.首次嘗試使用硬件事務(wù)內(nèi)存記錄訪存順序,提出了基于事務(wù)提交順序的記錄算法。我們還分析了Intel Haswell微架構(gòu)處理器事務(wù)內(nèi)存擴(kuò)展的適用范圍,通過實(shí)際測試指出簡單的對訪存順序記錄算法的實(shí)現(xiàn)使用HLE并不能提升性能。
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP332

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