[論文レビュー] Checking Race Freedom of Clocked X10 Programs

Tomofumi Yuki, Paul Feautrier+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2013

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、時計（実行時動的参加者集合を持つバリアに類似した動的同期構文）を用いる多面体X10プログラムにおけるデータ競合の自由を保証する静的解析手法を提示する。同期回数を多面体的数え上げを用いて拡張した happens-before 関係を定式化し、SMTソルバを用いて潜在的競合を否定することで、一般には決定不能であるにもかかわらずコンパイル時における競合なし保証を達成する。

ABSTRACT

One of many approaches to better take advantage of parallelism, which has now become mainstream, is the introduction of parallel programming languages. However, parallelism is by nature non-deterministic, and not all parallel bugs can be avoided by language design. This paper proposes a method for guaranteeing absence of data races in the polyhedral subset of clocked X10 programs. Clocks in X10 are similar to barriers, but are more dynamic; the subset of processes that participate in the synchronization can dynamically change at runtime. We construct the happens-before relation for clocked X10 programs, and show that the problem of race detection is undecidable. However, in many practical cases, modern tools are able to find solutions or disprove their existence. We present a set of benchmarks for which the analysis is possible and has an acceptable running time.

研究の動機と目的

• 時計を用いるX10プログラムにおけるデータ競合の自由を静的かつコンパイル時保証すること。時計は従来のバリアよりも動的である。
• MPIスタイルのバリア用に既存の静的解析手法がX10の動的時計の意味論に適用できないという課題に対処すること。
• X10のコア構文（async、finish、時計）を含めるために、先行する多面体的データ競合検出技術を拡張すること。
• 多面体における整数点の数え上げを用いて、時計の存在下での happens-before 関係を形式化すること。
• プロトタイプとベンチマークスイートを通じた実現可能性の検証を行い、実用的ケースにおいて妥当な性能を示すこと。

提案手法

• X10の操作的意味論を拡張し、実行トレース上での各プロセスごとの同期回数を追跡することで、時計下での happens-before 関係を形式的に定義する。
• 特定の文のインスタンスでプロセスが実行した同期回数を、多面体の和集合における整数点の数え上げとしてモデル化する。
• データ競合を制約充足問題として表現し、潜在的な競合アクセスをSMTソルバを用いて否定することで、競合の存在を否定する。
• 整数線形計画法では不十分であるため、同期回数に多項式表現が現れるため、高度なSMTソルバ（例：Z3）を用いて競合の存在を否定する。
• X10プログラムを処理し、多面体解析を実行し、SMTベースの検証を適用するプロトタイプツールを実装する。
• X10における at および places に関する先行研究と統合し、コア構文の包括的静的解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実行時において参加プロセスが変化するX10の動的時計を含めた場合、happens-before 関係を形式的に拡張可能か？
• RQ2 多面体モデル内において、時計付きX10プログラムのデータ競合検出は決定可能か？
• RQ3 時計の同期回数の動的挙動を数学的にモデル化し、静的解析を支援できるか？
• RQ4 SMTソルバは多項式の同期回数を伴う状況下で、データ競合の存在を効果的に否定できるか？
• RQ5 本手法は、複雑な時計使用を伴う実用的X10ベンチマークにおいてどの程度スケーラブルか？

主な発見

• 時計付きX10プログラムにおけるデータ競合検出問題は、同期回数に多項式表現が現れるため、一般には決定不能である。
• 決定不能性にもかかわらず、本手法はすべてのベンチマークプログラムに対して競合なしを正当に証明できており、Z3はMOLDYNを除きすべてのケースで潜在的競合を効率的に否定した。
• 解析はインスタンス単位および要素単位であり、文のインスタンスと配列要素を区別することで、誤検出を低減する。
• プロトタイプ実装は、多面体モデル内において、X10のコア構文（async、finish、時計）をすべて正常に処理できた。
• 実用的ベンチマークにおいて本手法はスケーラブルであり、同期回数の計算オーバーヘッドはMOLDYNを除き最小限に抑えられた。
• 本手法はHabanero-Javaなどの類似した同期意味論を有する言語へも拡張可能であり、placesおよびアトミックブロックに関する既存の研究と相補的である。