[论文解读] Partial Redundancy Elimination for Multi-threaded Programs

Mohamed A. El-Zawawy, Hamada Nayel|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2011

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 28被引用 9

一句话总结

本文提出了一种带有优化组件的类型系统，可在多线程程序中实现部分冗余消除（PRE），将经典的PRE技术扩展至支持并发执行。通过集成线程安全分析与同步感知的代码移动，该方法可在不损害并发上下文正确性的前提下，实现安全的循环不变量代码移动和公共子表达式消除，从而在多线程环境中展现出显著的优化潜力。

ABSTRACT

Multi-threaded programs have many applications which are widely used such as operating systems. Analyzing multi-threaded programs differs from sequential ones; the main feature is that many threads execute at the same time. The effect of all other running threads must be taken in account. Partial redundancy elimination is among the most powerful compiler optimizations: it performs loop-invariant code motion and common subexpression elimination. We present a type system with optimization component which performs partial redundancy elimination for multi-threaded programs.

研究动机与目标

• 为解决在多线程程序中应用经典部分冗余消除（PRE）优化时，线程交互导致代码移动复杂化的问题。
• 将PRE技术——包括公共子表达式消除和循环不变量代码移动——扩展至支持并发执行环境下的正确性。
• 设计一种类型系统，用于追踪跨线程的数据依赖关系和同步效应，以指导安全优化。
• 形式化验证所提出的优化在存在线程干扰和数据竞争的情况下仍能保持程序语义不变。
• 通过形式化框架和案例研究，证明在并发程序中应用PRE的可行性和有效性。

提出的方法

• 作者引入一种类型系统，为表达式和语句标注其数据依赖关系和线程安全性属性。
• 该系统追踪哪些表达式在跨线程时保持不变，以及哪些可被安全移动而不违反程序语义。
• 将同步原语整合进类型系统，以防止跨线程内存操作的不安全重排序。
• 优化组件仅在类型系统确认线程安全时，才执行公共子表达式消除和循环不变量代码移动。
• 该方法使用形式化语义模型，确保在所有线程交错情况下，优化后的程序与原始程序保持等价。
• 该方法实现为静态分析组件，可集成至多线程程序的编译器流水线中。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不引入数据竞争或语义违规的前提下，安全地将部分冗余消除应用于多线程程序？
• RQ2 如何扩展类型系统以追踪并发代码中优化所需的线程安全性和数据依赖关系？
• RQ3 在并发环境中，安全执行循环不变量代码移动和公共子表达式消除的必要条件是什么？
• RQ4 如何在类型系统中建模同步效应，以指导多线程上下文中的安全代码移动？
• RQ5 经典PRE优化在多大程度上可被适配至并发程序，同时保持正确性？

主要发现

• 所提出的类型系统成功识别并消除了多线程程序中的部分冗余，且未引入数据竞争。
• 该方法即使在并发线程执行的情况下，也能实现安全的循环不变量代码移动和公共子表达式消除。
• 形式化框架确保所有优化在所有可能的线程交错情况下均保持原始程序的语义不变。
• 该方法表明，通过基于类型的数据依赖和同步关系的精确追踪，PRE可被有效扩展至并发程序。
• 评估结果表明，该优化适用于真实世界的并发代码模式，如操作系统中常见的模式。
• 该工作为在并发语言编译器中集成高级编译器优化提供了基础，并具备形式化的正确性保证。