Crafting Concurrent Data Structures

Concurrent data structures lie at the heart of modern parallel programs. The design and implementation of concurrent data structures can be challenging due to the demand for good performance (low latency and high scalability) and strong progress guarantees. In this dissertation, we enrich the knowledge of concurrent data structure design by proposing new implementations, as well as general techniques to improve the performance of existing ones.The first part of the dissertation present an unordered linked list implementation that supports nonblocking insert, remove, and lookup operations. The algorithm is based on a novel ``enlist\u27\u27 technique that greatly simplifies the task of achieving wait-freedom. The value of our technique is also demonstrated in the creation of other wait-free data structures such as stacks and hash tables.The second data structure presented is a nonblocking hash table implementation which solves a long-standing design challenge by permitting the hash table to dynamically adjust its size in a nonblocking manner. Additionally, our hash table offers strong theoretical properties such as supporting unbounded memory. In our algorithm, we introduce a new ``freezable set\u27\u27 abstraction which allows us to achieve atomic migration of keys during a resize. The freezable set abstraction also enables highly efficient implementations which maximally exploit the processor cache locality. In experiments, we found our lock-free hash table performs consistently better than state-of-the-art implementations, such as the split-ordered list.The third data structure we present is a concurrent priority queue called the ``mound\u27\u27. Our implementations include nonblocking and lock-based variants. The mound employs randomization to reduce contention on concurrent insert operations, and decomposes a remove operation into smaller atomic operations so that multiple remove operations can execute in parallel within a pipeline. In experiments, we show that the mound can provide excellent latency at low thread counts.Lastly, we discuss how hardware transactional memory (HTM) can be used to accelerate existing nonblocking concurrent data structure implementations. We propose optimization techniques that can significantly improve the performance (1.5x to 3x speedups) of a variety of important concurrent data structures, such as binary search trees and hash tables. The optimizations also preserve the strong progress guarantees of the original implementations

Design and evaluation of a Thread-Level Speculation runtime library

En los próximos años es más que probable que máquinas con cientos o incluso miles de procesadores sean algo habitual. Para aprovechar estas máquinas, y debido a la dificultad de programar de forma paralela, sería deseable disponer de sistemas de compilación o ejecución que extraigan todo el paralelismo posible de las aplicaciones existentes. Así en los últimos tiempos se han propuesto multitud de técnicas paralelas. Sin embargo, la mayoría de ellas se centran en códigos simples, es decir, sin dependencias entre sus instrucciones. La paralelización especulativa surge como una solución para estos códigos complejos, posibilitando la ejecución de cualquier tipo de códigos, con o sin dependencias. Esta técnica asume de forma optimista que la ejecución paralela de cualquier tipo de código no de lugar a errores y, por lo tanto, necesitan de un mecanismo que detecte cualquier tipo de colisión. Para ello, constan de un monitor responsable que comprueba constantemente que la ejecución no sea errónea, asegurando que los resultados obtenidos de forma paralela sean similares a los de cualquier ejecución secuencial. En caso de que la ejecución fuese errónea los threads se detendrían y reiniciarían su ejecución para asegurar que la ejecución sigue la semántica secuencial. Nuestra contribución en este campo incluye (1) una nueva librería de ejecución especulativa fácil de utilizar; (2) nuevas propuestas que permiten reducir de forma significativa el número de accesos requeridos en las peraciones especulativas, así como consejos para reducir la memoria a utilizar; (3) propuestas para mejorar los métodos de scheduling centradas en la gestión dinámica de los bloques de iteraciones utilizados en las ejecuciones especulativas; (4) una solución híbrida que utiliza memoria transaccional para implementar las secciones críticas de una librería de paralelización especulativa; y (5) un análisis de las técnicas especulativas en uno de los dispositivos más vanguardistas del momento, los coprocesadores Intel Xeon Phi. Como hemos podido comprobar, la paralelización especulativa es un campo de investigación activo. Nuestros resultados demuestran que esta técnica permite obtener mejoras de rendimiento en un gran número de aplicaciones. Así, esperamos que este trabajo contribuya a facilitar el uso de soluciones especulativas en compiladores comerciales y/o modelos de programación paralela de memoria compartida.Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos

New Applications of the Nearest-Neighbor Chain Algorithm

The nearest-neighbor chain algorithm was proposed in the eighties as a way to speed up certain hierarchical clustering algorithms. In the first part of the dissertation, we show that its application is not limited to clustering. We apply it to a variety of geometric and combinatorial problems. In each case, we show that the nearest-neighbor chain algorithm finds the same solution as a preexistent greedy algorithm, but often with an improved runtime. We obtain speedups over greedy algorithms for Euclidean TSP, Steiner TSP in planar graphs, straight skeletons, a geometric coverage problem, and three stable matching models. In the second part, we study the stable-matching Voronoi diagram, a type of plane partition which combines properties of stable matchings and Voronoi diagrams. We propose political redistricting as an application. We also show that it is impossible to compute this diagram in an algebraic model of computation, and give three algorithmic approaches to overcome this obstacle. One of them is based on the nearest-neighbor chain algorithm, linking the two parts together