Tese de Doutoramento em Informática (MAP-i)Energy consumption is nowadays one of the most important concerns worldwide. While
hardware is generally seen as the main culprit for a computer’s energy usage, software
too has a tremendous impact on the energy spent, as it can cancel the efficiency introduced
by the hardware. Green Computing is not a newfield of study, but the focus has been,
until recently, on hardware. While there has been advancements in Green Software techniques,
there is still not enough support for software developers so they can make their
code more energy-aware, with various studies arguing there is both a lack of knowledge
and lack of tools for energy-aware development.
This thesis intends to tackle these two problems and aims at further pushing
forward research on Green Software. This software energy consumption issue is faced
as a software engineering question. By using systematic, disciplined, and quantifiable
approaches to the development, operation, and maintenance of software we defined several
techniques, methodologies, and tools within this document. These focus on providing
software developers more knowledge and tools to help with energy-aware software
development, or Energyware Engineering.
Insights are provided on the energy influence of several stages performed during
a software’s development process. We look at the energy efficiency of various popular
programming languages, understanding which are the most appropriate if a developer’s
concern is energy consumption. A detailed study on the energy profiles of different
Java data structures is also presented, alongwith a technique and tool, further providing
more knowledge on what energy efficient alternatives a developer has to choose from. To
help developers with the lack of tools, we defined and implemented a technique to detect
energy inefficient fragments within the source code of a software system. This technique
and tool has been shown to help developers improve the energy efficiency of their programs,
and even outperforming a runtime profiler. Finally, answers are provided to common questions and misconceptions within
this field of research, such as the relationship between time and energy, and howone can
improve their software’s energy consumption.
This thesis provides a great effort to help support both research and education on
this topic, helps continue to grow green software out of its infancy, and contributes to
solving the lack of knowledge and tools which exist for Energyware Engineering.Hoje em dia o consumo energético é uma das maiores preocupações a nível global. Apesar
do hardware ser, de umaforma geral, o principal culpado para o consumo de energia
num computador, o software tem também um impacto significativo na energia consumida,
pois pode anular, em parte, a eficiência introduzida pelo hardware. Embora
Green Computing não seja uma área de investigação nova, o foco tem sido, até recentemente,
na componente de hardware. Embora as técnicas de Green Software tenham
vindo a evoluir, não há ainda suporte suficiente para que os programadores possam
produzir código com consciencialização energética. De facto existemvários estudos que
defendem que existe tanto uma falta de conhecimento como uma escassez de ferramentas
para o desenvolvimento energeticamente consciente.
Esta tese pretende abordar estes dois problemas e tem como foco promover avanços
em green software. O tópico do consumo de energia é abordado duma perspectiva
de engenharia de software. Através do uso de abordagens sistemáticas, disciplinadas
e quantificáveis no processo de desenvolvimento, operação e manutencão de software,
foi possível a definição de novas metodologias e ferramentas, apresentadas neste documento.
Estas ferramentas e metodologias têm como foco dotar de conhecimento e
ferramentas os programadores de software, de modo a suportar um desenvolvimento
energeticamente consciente, ou Energyware Engineering.
Deste trabalho resulta a compreensão sobre a influência energética a ser usada
durante as diferentes fases do processo de desenvolvimento de software. Observamos as
linguagens de programação mais populares sobre um ponto de vista de eficiência energética,
percebendo quais as mais apropriadas caso o programador tenha uma preocupação
com o consumo energético. Apresentamos também um estudo detalhado sobre perfis energéticos de diferentes
estruturas de dados em Java, acompanhado por técnicas e ferramentas, fornecendo
conhecimento relativo a quais as alternativas energeticamente eficientes que os programadores
dispõem. Por forma a ajudar os programadores, definimos e implementamos
uma técnica para detetar fragmentos energicamente ineficientes dentro do código fonte
de um sistema de software. Esta técnica e ferramenta têm demonstrado ajudar programadores
a melhorarem a eficiência energética dos seus programas e em algum casos
superando um runtime profiler.
Por fim, são dadas respostas a questões e conceções erradamente formuladas dentro
desta área de investigação, tais como o relacionamento entre tempo e energia e como
é possível melhorar o consumo de energia do software.
Foi empregue nesta tese um esforço árduo de suporte tanto na investigação como
na educação relativo a este tópico, ajudando à maturação e crescimento de green computing,
contribuindo para a resolução da lacuna de conhecimento e ferramentas para
suporte a Energyware Engineering.This work is partially funded by FCT – Foundation for Science and Technology, the
Portuguese Ministry of Science, Technology and Higher Education, through national funds,
and co-financed by the European Social Fund (ESF) through the Operacional Programme for
Human Capital (POCH), with scholarship reference SFRH/BD/112733/2015. Additionally,
funding was also provided the ERDF – European Regional Development Fund – through
the Operational Programmes for Competitiveness and Internationalisation COMPETE and
COMPETE 2020, and by the Portuguese Government through FCT project Green Software
Lab (ref. POCI-01-0145-FEDER-016718), by the project GreenSSCM - Green Software for
Space Missions Control, a project financed by the Innovation Agency, SA, Northern Regional
Operational Programme, Financial Incentive Grant Agreement under the Incentive Research
and Development System, Project No. 38973, and by the Luso-American Foundation in
collaboration with the National Science Foundation with grant FLAD/NSF ref. 300/2015 and
ref. 275/2016