Doctor of Philosophy

dissertationLinked data are the de-facto standard in publishing and sharing data on the web. To date, we have been inundated with large amounts of ever-increasing linked data in constantly evolving structures. The proliferation of the data and the need to access and harvest knowledge from distributed data sources motivate us to revisit several classic problems in query processing and query optimization. The problem of answering queries over views is commonly encountered in a number of settings, including while enforcing security policies to access linked data, or when integrating data from disparate sources. We approach this problem by efficiently rewriting queries over the views to equivalent queries over the underlying linked data, thus avoiding the costs entailed by view materialization and maintenance. An outstanding problem of query rewriting is the number of rewritten queries is exponential to the size of the query and the views, which motivates us to study problem of multiquery optimization in the context of linked data. Our solutions are declarative and make no assumption for the underlying storage, i.e., being store-independent. Unlike relational and XML data, linked data are schema-less. While tracking the evolution of schema for linked data is hard, keyword search is an ideal tool to perform data integration. Existing works make crippling assumptions for the data and hence fall short in handling massive linked data with tens to hundreds of millions of facts. Our study for keyword search on linked data brought together the classical techniques in the literature and our novel ideas, which leads to much better query efficiency and quality of the results. Linked data also contain rich temporal semantics. To cope with the ever-increasing data, we have investigated how to partition and store large temporal or multiversion linked data for distributed and parallel computation, in an effort to achieve load-balancing to support scalable data analytics for massive linked data

Using Canonical Forms for Isomorphism Reduction in Graph-based Model Checking

Graph isomorphism checking can be used in graph-based model checking to achieve symmetry reduction. Instead of one-to-one comparing the graph representations of states, canonical forms of state graphs can be computed. These canonical forms can be used to store and compare states. However, computing a canonical form for a graph is computationally expensive. Whether computing a canonical representation for states and reducing the state space is more efficient than using canonical hashcodes for states and comparing states one-to-one is not a priori clear. In this paper these approaches to isomorphism reduction are described and a preliminary comparison is presented for checking isomorphism of pairs of graphs. An existing algorithm that does not compute a canonical form performs better that tools that do for graphs that are used in graph-based model checking. Computing canonical forms seems to scale better for larger graphs

Automated structure detection for distributed process optimization

The design and control of large-scale engineering systems, consisting of a number of interacting subsystems, is a heavily researched topic with relevance both for industry and academia. This paper presents two methodologies for optimal model-based decomposition, where an optimization problem is decomposed into several smaller sub-problems and subsequently solved by augmented Lagrangian decomposition methods. Large-scale and highly nonlinear problems commonly arise in process optimization, and could greatly benefit from these approaches, as they reduce the storage requirements and computational costs for global optimization. The strategy presented translates the problem into a constraint graph. The first approach uses a heuristic community detection algorithm to identify highly connected clusters in the optimization problem graph representation. The second approach uses a multilevel graph bisection algorithm to find the optimal partition, given a desired number of sub-problems. The partitioned graphs are translated back into decomposed sets of sub-problems with a minimal number of coupling constraints. Results show both of these methods can be used as efficient frameworks to decompose optimization problems in linear time, in comparison to traditional methods which require polynomial time.Author E. A. del Rio-Chanona would like to acknowledge CONACyT scholarship No. 522530 for funding this project. Author F. Fiorelli gratefully acknowledges the support from his family. The authors would also 27 like to thank Dr Bart Hallmark, University of Cambridge, for suggesting to employ as a demonstration the chemical system in Example 7.This is the author accepted manuscript. The final version is available from Elsevier via http://dx.doi.org/10.1016/j.compchemeng.2016.03.01

Tackling Latency Using FG

Applications that operate on datasets which are too big to fit in main memory, known in the literature as external-memory or out-of-core applications, store their data on one or more disks. Several of these applications make multiple passes over the data, where each pass reads data from disk, operates on it, and writes data back to disk. Compared with an in-memory operation, a disk-I/O operation takes orders of magnitude (approx. 100,000 times) longer; that is, disk-I/O is a high-latency operation. Out-of-core algorithms often run on a distributed-memory cluster to take advantage of a cluster\u27s computing power, memory, disk space, and bandwidth. By doing so, however, they introduce another high-latency operation: interprocessor communication. Efficient implementations of these algorithms access data in blocks to amortize the cost of a single data transfer over the disk or the network, and they introduce asynchrony to overlap high-latency operations and computations. FG, short for Asynchronous Buffered Computation Design and Engineering Framework Generator, is a programming framework that helps to mitigate latency in out-of-core programs that run on distributed-memory clusters. An FG program is composed of a pipeline of stages operating on buffers. FG runs the stages asynchronously so that stages performing high-latency operations can overlap their work with other stages. FG supplies the code to create a pipeline, synchronize the stages, and manage data buffers; the user provides a straightforward function, containing only synchronous calls, for each stage. In this thesis, we use FG to tackle latency and exploit the available parallelism in out-of-core and distributed-memory programs. We show how FG helps us design out-of-core programs and think about parallel computing in general using three instances: an out-of-core, distribution-based sorting program; an implementation of external-memory suffix arrays; and a scientific-computing application called the fast Gauss transform. FG\u27s interaction with these real-world programs is symbiotic: FG enables efficient implementations of these programs, and the design of the first two of these programs pointed us toward further extensions for FG. Today\u27s era of multicore machines compels us to harness all opportunities for parallelism that are available in a program, and so in the latter two applications, we combine FG\u27s multithreading capabilities with the routines that OpenMP offers for in-core parallelism. In the fast Gauss transform application, we use this strategy to realize an up to 20-fold performance improvement compared with an alternate fast Gauss transform implementation. In addition, we use our experience with designing programs in FG to provide some suggestions for the next version of FG

Robust Scalable Sorting

Sortieren ist eines der wichtigsten algorithmischen Grundlagenprobleme. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Sortieralgorithmen in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt werden. Diese Anwendungen werden auf den unterschiedlichsten Geräten ausgeführt -- angefangen bei Smartphones mit leistungseffizienten Multi-Core-Prozessoren bis hin zu Supercomputern mit Tausenden von Maschinen, die über ein Hochleistungsnetzwerk miteinander verbunden sind. Spätestens seitdem die Single-Core-Leistung nicht mehr signifikant steigt, sind parallele Anwendungen in unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Daher sind effiziente und skalierbare Algorithmen essentiell, um diese immense Verfügbarkeit von (paralleler) Rechenleistung auszunutzen. Diese Arbeit befasst sich damit, wie sequentielle und parallele Sortieralgorithmen auf möglichst robuste Art maximale Leistung erzielen können. Dabei betrachten wir einen großen Parameterbereich von Eingabegrößen, Eingabeverteilungen, Maschinen sowie Datentypen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir sowohl sequentielles Sortieren als auch paralleles Sortieren auf Shared-Memory-Maschinen. Wir präsentieren In-place Parallel Super Scalar Samplesort (IPS⁴o), einen neuen vergleichsbasierten Algorithmus, der mit beschränkt viel Zusatzspeicher auskommt (die sogenannte „in-place” Eigenschaft). Eine wesentliche Erkenntnis ist, dass unsere in-place-Technik die Sortiergeschwindigkeit von IPS⁴o im Vergleich zu ähnlichen Algorithmen ohne in-place-Eigenschaft verbessert. Bisher wurde die Eigenschaft, mit beschränkt viel Zusatzspeicher auszukommen, eher mit Leistungseinbußen verbunden. IPS⁴o ist außerdem cache-effizient und führt $O(n/t\log n)$ Arbeitsschritte pro Thread aus, um ein Array der Größe $n$ mit $t$ Threads zu sortieren. Zusätzlich berücksichtigt IPS⁴o Speicherlokalität, nutzt einen Entscheidungsbaum ohne Sprungvorhersagen und verwendet spezielle Partitionen für Elemente mit gleichem Schlüssel. Für den Spezialfall, dass ausschließlich ganzzahlige Schlüssel sortiert werden sollen, haben wir das algorithmische Konzept von IPS⁴o wiederverwendet, um In-place Parallel Super Scalar Radix Sort (IPS²Ra) zu implementieren. Wir bestätigen die Performance unserer Algorithmen in einer umfangreichen experimentellen Studie mit 21 State-of-the-Art-Sortieralgorithmen, sechs Datentypen, zehn Eingabeverteilungen, vier Maschinen, vier Speicherzuordnungsstrategien und Eingabegrößen, die über sieben Größenordnungen variieren. Einerseits zeigt die Studie die robuste Leistungsfähigkeit unserer Algorithmen. Andererseits deckt sie auf, dass viele konkurrierende Algorithmen Performance-Probleme haben: Mit IPS⁴o erhalten wir einen robusten vergleichsbasierten Sortieralgorithmus, der andere parallele in-place vergleichsbasierte Sortieralgorithmen fast um den Faktor drei übertrifft. In der überwiegenden Mehrheit der Fälle ist IPS⁴o der schnellste vergleichsbasierte Algorithmus. Dabei ist es nicht von Bedeutung, ob wir IPS⁴o mit Algorithmen vergleichen, die mit beschränkt viel Zusatzspeicher auskommen, Zusatzspeicher in der Größenordnung der Eingabe benötigen, und parallel oder sequentiell ausgeführt werden. IPS⁴o übertrifft in vielen Fällen sogar konkurrierende Implementierungen von Integer-Sortieralgorithmen. Die verbleibenden Fälle umfassen hauptsächlich gleichmäßig verteilte Eingaben und Eingaben mit Schlüsseln, die nur wenige Bits enthalten. Diese Eingaben sind in der Regel „einfach” für Integer-Sortieralgorithmen. Unser Integer-Sorter IPS²Ra übertrifft andere Integer-Sortieralgorithmen für diese Eingaben in der überwiegenden Mehrheit der Fälle. Ausnahmen sind einige sehr kleine Eingaben, für die die meisten Algorithmen sehr ineffizient sind. Allerdings sind Algorithmen, die auf diese Eingabegrößen abzielen, in der Regel für alle anderen Eingaben deutlich langsamer. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchen wir skalierbare Sortieralgorithmen für verteilte Systeme, welche robust in Hinblick auf die Eingabegröße, häufig vorkommende Sortierschlüssel, die Verteilung der Sortierschlüssel auf die Prozessoren und die Anzahl an Prozessoren sind. Das Resultat unserer Arbeit sind im Wesentlichen vier robuste skalierbare Sortieralgorithmen, mit denen wir den gesamten Bereich an Eingabegrößen abdecken können. Drei dieser vier Algorithmen sind neue, schnelle Algorithmen, welche so implementiert sind, dass sie nur einen geringen Zusatzaufwand benötigen und gleichzeitig unabhängig von „schwierigen” Eingaben robust skalieren. Es handelt sich z.B. um „schwierige” Eingaben, wenn viele gleiche Elemente vorkommen oder die Eingabeelemente in Hinblick auf ihre Sortierschlüssel ungünstig auf die Prozessoren verteilt sind. Bisherige Algorithmen für mittlere und größere Eingabegrößen weisen ein unzumutbar großes Kommunikationsvolumen auf oder tauschen unverhältnismäßig oft Nachrichten aus. Für diese Eingabegrößen beschreiben wir eine robuste, mehrstufige Verallgemeinerung von Samplesort, die einen brauchbaren Kompromiss zwischen dem Kommunikationsvolumen und der Anzahl ausgetauschter Nachrichten darstellt. Wir überwinden diese bisher unvereinbaren Ziele mittels einer skalierbaren approximativen Splitterauswahl sowie eines neuen Datenumverteilungsalgorithmus. Als eine Alternative stellen wir eine Verallgemeinerung von Mergesort vor, welche den Vorteil von perfekt ausbalancierter Ausgabe hat. Für kleine Eingaben entwerfen wir eine Variante von Quicksort. Mit wenig Zusatzaufwand vermeidet sie das Problem ungünstiger Elementverteilungen und häufig vorkommender Sortierschlüssel, indem sie schnell qualitativ hochwertige Splitter auswählt, die Elemente zufällig den Prozessoren zuweist und einer Duplikat-Behandlung unterzieht. Bisherige praktische Ansätze mit polylogarithmischer Latenz haben entweder einen logarithmischen Faktor mehr Kommunikationsvolumen oder berücksichtigen nur gleichverteilte Eingaben ohne mehrfach vorkommende Sortierschlüssel. Für sehr kleine Eingaben schlagen wir einen einfachen sowie schnellen, jedoch arbeitsineffizienten Algorithmus mit logarithmischer Latenzzeit vor. Für diese Eingaben sind bisherige effiziente Ansätze nur theoretische Algorithmen, die meist unverhältnismäßig große konstante Faktoren haben. Für die kleinsten Eingaben empfehlen wir die Daten zu sortieren, während sie an einen einzelnen Prozessor geschickt werden. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit zu der praktischen Seite von Algorithm Engineering ist die Kommunikationsbibliothek RangeBasedComm (RBC). Mit RBC ermöglichen wir eine effiziente Umsetzung von rekursiven Algorithmen mit sublinearer Laufzeit, indem sie skalierbare und effiziente Kommunikationsfunktionen für Teilmengen von Prozessoren bereitstellt. Zuletzt präsentieren wir eine umfangreiche experimentelle Studie auf zwei Supercomputern mit bis zu 262144 Prozessorkernen, elf Algorithmen, zehn Eingabeverteilungen und Eingabegrößen variierend über neun Größenordnungen. Mit Ausnahme von den größten Eingabegrößen ist diese Arbeit die einzige, die überhaupt Sortierexperimente auf Maschinen dieser Größe durchführt. Die RBC-Bibliothek beschleunigt die Algorithmen teilweise drastisch – einen konkurrierenden Algorithmus sogar um mehr als zwei Größenordnungen. Die Studie legt dar, dass unsere Algorithmen robust sind und gleichzeitig konkurrierende Implementierungen leistungsmäßig deutlich übertreffen. Die Konkurrenten, die man normalerweise betrachtet hätte, stürzen bei „schwierigen” Eingaben sogar ab

Algorithm Engineering for fundamental Sorting and Graph Problems

Fundamental Algorithms build a basis knowledge for every computer science undergraduate or a professional programmer. It is a set of basic techniques one can find in any (good) coursebook on algorithms and data structures. In this thesis we try to close the gap between theoretically worst-case optimal classical algorithms and the real-world circumstances one face under the assumptions imposed by the data size, limited main memory or available parallelism