Mención Internacional en el título de doctorIn recent years, the traditional approaches for improving performance, such as increasing
the clock frequency, has come to a dead-end. To tackle this issue, parallel architectures,
such as multi-/many-core processors, have been envisioned to increase
the performance by providing greater processing capabilities. However, programming
efficiently for this architectures demands big efforts in order to transform sequential
applications into parallel and to optimize such applications. Compared to
sequential programming, designing and implementing parallel applications for operating
on modern hardware poses a number of new challenges to developers such
as data races, deadlocks, load imbalance, etc.
To pave the way, parallel design patterns provide a way to encapsulate algorithmic
aspects, allowing users to implement robust, readable and portable solutions
with such high-level abstractions. Basically, these patterns instantiate parallelism
while hiding away the complexity of concurrency mechanisms, such as thread management,
synchronizations or data sharing. Nonetheless, frameworks following this
philosophy does not share the same interface and users require understanding different
libraries, and their capabilities, not only to decide which fits best for their
purposes but also to properly leverage them. Furthermore, in order to parallelize
these applications, it is necessary to analyze the sequential code in order to detect the
regions of code that can be parallelized that is a time consuming and complex task.
Additionally, different libraries targeted to specific devices provide some algorithms
implementations that are already parallel and highly-tuned. In these situations, it is
also necessary to analyze and determine which routine implementation is the most
suitable for a given problem.
To tackle these issues, this thesis aims at simplifying and minimizing the necessary
efforts to transform sequential applications into parallel. This way, resulting
codes will improve their performance by fully exploiting the available resources
while the development efforts will be considerably reduced. Basically, in this thesis,
we contribute with the following. First, we propose a technique to detect potential
parallel patterns in sequential code. Second, we provide a novel generic C++ interface
for parallel patterns which acts as a switch among existing frameworks. Third,
we implement a framework that is able to transform sequential code into parallel
using the proposed pattern discovery technique and pattern interface. Finally, we
propose mechanisms that are able to select the most suitable device and routine implementation
to solve a given problem based on previous performance information.
The evaluation demonstrates that using the proposed techniques can minimize the
refactoring and optimization time while improving the performance of the resulting
applications with respect to the original code.En los últimos años, las técnicas tradicionales para mejorar el rendimiento, como es
el caso del incremento de la frecuencia de reloj, han llegado a sus límites. Con el
fin de seguir mejorando el rendimiento, se han desarrollado las arquitecturas paralelas,
las cuales proporcionan un incremento del rendimiento al estar provistas de
mayores capacidades de procesamiento. Sin embargo, programar de forma eficiente
para estas arquitecturas requieren de grandes esfuerzos por parte de los desarrolladores.
Comparado con la programación secuencial, diseñar e implementar aplicaciones
paralelas enfocadas a trabajar en estas arquitecturas presentan una gran
cantidad de dificultades como son las condiciones de carrera, los deadlocks o el incorrecto
balanceo de la carga.
En este sentido, los patrones paralelos son una forma de encapsular aspectos
algorítmicos de las aplicaciones permitiendo el desarrollo de soluciones robustas,
portables y legibles gracias a las abstracciones de alto nivel. En general, estos patrones
son capaces de proporcionar el paralelismo a la vez que ocultan las complejidades
derivadas de los mecanismos de control de concurrencia necesarios como el
manejo de los hilos, las sincronizaciones o la compartición de datos. No obstante,
los diferentes frameworks que siguen esta filosofía no comparten una única interfaz
lo que conlleva que los usuarios deban conocer múltiples bibliotecas y sus capacidades,
con el fin de decidir cuál de ellos es mejor para una situación concreta y
como usarlos de forma eficiente. Además, con el fin de paralelizar aplicaciones existentes,
es necesario analizar e identificar las regiones del código que pueden ser paralelizadas,
lo cual es una tarea ardua y compleja. Además, algunos algoritmos ya se
encuentran implementados en paralelo y optimizados para arquitecturas concretas
en diversas bibliotecas. Esto da lugar a que sea necesario analizar y determinar que
implementación concreta es la más adecuada para solucionar un problema dado.
Para paliar estas situaciones, está tesis busca simplificar y minimizar el esfuerzo
necesario para transformar aplicaciones secuenciales en paralelas. De esta forma,
los códigos resultantes serán capaces de explotar los recursos disponibles a la vez
que se reduce considerablemente el esfuerzo de desarrollo necesario. En general,
esta tesis contribuye con lo siguiente. En primer lugar, se propone una técnica de
detección de patrones paralelos en códigos secuenciales. En segundo lugar, se presenta
una interfaz genérica de patrones paralelos para C++ que permite seleccionar
la implementación de dichos patrones proporcionada por frameworks ya existentes.
En tercer lugar, se introduce un framework de transformación de código secuencial
a paralelo que hace uso de las técnicas de detección de patrones y la interfaz
presentadas. Finalmente, se proponen mecanismos capaces de seleccionar la implementación
más adecuada para solucionar un problema concreto basándose en el
rendimiento obtenido en ejecuciones previas. Gracias a la evaluación realizada se ha
podido demostrar que uso de las técnicas presentadas pueden minimizar el tiempo
necesario para transformar y optimizar el código a la vez que mejora el rendimiento
de las aplicaciones transformadas.Programa Oficial de Doctorado en Ciencia y Tecnología InformáticaPresidente: David Expósito Singh.- Secretario: Rafael Asenjo Plaza.- Vocal: Marco Aldinucc
