[論文レビュー] FastFlow tutorial

Marco Aldinucci, Marco Danelutto+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2012

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

FastFlow は、共有メモリマルチコアアーキテクチャ向けの構造化並列プログラミングフレームワークであり、アルゴリズム的スケルトンと最適化された通信メカニズムを通じて、細粒度並列アプリケーションの効率的開発を可能にする。このフレームワークは、最小限のコード変更で高パフォーマンスなストリーミングネットワークを構築するための階層的でオープンソースのソフトウェアフレームワークを提供することで、既存の C/C++ コードを高速化する。

ABSTRACT

FastFlow is a structured parallel programming framework targeting shared memory multicores. Its layered design and the optimized implementation of the communication mechanisms used to implement the FastFlow streaming networks provided to the application programmer as algorithmic skeletons support the development of efficient fine grain parallel applications. FastFlow is available (open source) at SourceForge (this http URL). This work introduces FastFlow programming techniques and points out the different ways used to parallelize existing C/C++ code using FastFlow as a software accelerator. In short: this is a kind of tutorial on FastFlow.

研究の動機と目的

• 共有メモリマルチコアアーキテクチャ上で、効率的でポータブルかつスケーラブルな並列アプリケーションを開発する課題に対処すること。
• 低レベルのスレーディングと同期を抽象化することで、並列プログラミングの複雑さを軽減すること。
• 最適化された通信メカニズムを通じて、ストリーミングワークロードにおけるパフォーマンスのポータビリティと高いスループットを実現すること。
• 大規模なリファactoringなしに段階的並列化を可能にするため、既存の C/C++ コードベースに対する実用的なソフトウェアアクセラレータを提供すること。
• チュートリアル駆動型のオープンソースフレームワークを通じて、並列アプリケーション開発における生産性とパフォーマンスを向上させること。

提案手法

• アプリケーション論理と低レベルの並列処理の懸念事項を分離するため、階層的なアーキテクチャ設計を活用する。
• パイプラインやファームなどのアルゴリズム的スケルトンを、データ並列およびタスク並列ワークロードを表現する再利用可能なパターンとして採用する。
• 細粒度並列処理におけるオーバーヘッドを最小限に抑えるために、通信メカニズム（例：ロックフリーキュー、ワーキーステaling）を最適化する。
• 既存の C/C++ コードベースとのシームレスな統合を可能にする C++ ベースの API を提供する。
• ワーキーステーリングとスレッドプールの抽象化を用いて、自動的なロードバランシングとスケーラブルなタスク配分を実現する。
• ワークロードの特性とハードウェアトポロジーに適応するため、静的および動的スケジューリング戦略を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なリファactoringを伴わずに、高レベルのフレームワークを用いて既存の C/C++ コードをどのように効率的に並列化できるか？
• RQ2 FastFlow の通信メカニズムは、細粒度並列ストリーミングワークロードにおいてどのようなパフォーマンス特性を示すか？
• RQ3 FastFlow は、共有メモリマルチコアシステム上で、アプリケーションのスループットとスケーラビリティをどの程度向上できるか？
• RQ4 FastFlow の階層的アーキテクチャは、並列プログラミングにおける生産性とパフォーマンスをどのようにサポートするか？
• RQ5 構造化並列プログラミングフレームワークにおいて、使いやすさとパフォーマンスの間には、どのような実用的トレードオフが生じるか？

主な発見

• FastFlow は、最適化された低オーバーヘッド通信メカニズムにより、ストリーミングアプリケーションにおける顕著なパフォーマンス向上を実現する。
• このフレームワークにより、既存の C/C++ コードを最小限の変更で並列化でき、マルチコアシステム上で高いスループットとスケーラビリティを達成できる。
• パイプラインやファームなどのアルゴリズム的スケルトンは、複雑な並列ワークロードの開発を簡素化しながらも、パフォーマンスを維持する。
• FastFlow では、ワーキーステーリングとロックフリーデータ構造の使用により、細粒度並列処理における競合を低減し、ロードバランシングを改善する。
• FastFlow の階層的アーキテクチャは、高い生産性と低レベルのパフォーマンスチューニングの両方をサポートし、パフォーマンスが重要なアプリケーションに適している。
• SourceForge での FastFlow のオープンソース公開により、コミュニティによる採用と本番コードベースへの統合が可能になった。