München, Techn. University, Diss., 2003.

Ces dernières années, des recherches ont été menées sur plusieurs techniques reliées à la collection des déchets. Plusieurs découvertes centrales pour le ramassage de miettes par copie ont été réalisées. Cependant, des améliorations sont encore possibles. Dans ce mémoire, nous introduisons des nouvelles techniques et de nouveaux algorithmes pour améliorer le ramassage de miettes. En particulier, nous introduisons une technique utilisant des cadres délimités pour marquer et retracer les pointeurs racines. Cette technique permet un calcul efficace de l'ensemble des racines. Elle réutilise des concepts de deux techniques existantes, card marking et remembered sets, et utilise une configuration bidirectionelle des objets pour améliorer ces concepts en stabilisant le surplus de mémoire utilisée et en réduisant la charge de travail lors du parcours des pointeurs. Nous présentons aussi un algorithme pour marquer récursivement les objets rejoignables sans utiliser de pile (éliminant le gaspillage de mémoire habituel). Nous adaptons cet algorithme pour implémenter un ramasse-miettes copiant en profondeur et améliorer la localité du heap. Nous améliorons l'algorithme de collection des miettes older-first et sa version générationnelle en ajoutant une phase de marquage garantissant la collection de toutes les miettes, incluant les structures cycliques réparties sur plusieurs fenêtres. Finalement, nous introduisons une technique pour gérer les gros objets. Pour tester nos idées, nous avons conçu et implémenté, dans la machine virtuelle libre Java SableVM, un cadre de développement portable et extensible pour la collection des miettes. Dans ce cadre, nous avons implémenté des algorithmes de collection semi-space, older-first et generational. Nos expérimentations montrent que la technique du cadre délimité procure des performances compétitives pour plusieurs benchmarks. Elles montrent aussi que, pour la plupart des benchmarks, notre algorithme de parcours en profondeur améliore la localité et augmente ainsi la performance. Nos mesures de la performance générale montrent que, utilisant nos techniques, un ramasse-miettes peut délivrer une performance compétitive et surpasser celle des ramasses-miettes existants pour plusieurs benchmarks. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Ramasse-Miettes, Machine Virtuelle, Java, SableVM.

Given the popularity of Java, extending the standard Java virtual machine (JVM) to become cluster-aware effectively brings the vision of transparent horizontal scaling of applications to fruition. With a set of cluster-wide JVMs orchestrated as a virtually single system, thread-level parallelism in Java is no longer confined to one multiprocessor. An unmodified multithreaded Java application running on such a Distributed JVM (DJVM) can scale out transparently, tapping into the vast computing power of the cluster. While this notion creates an easy-to-use and powerful parallel programming paradigm, research on DJVMs has remained largely at the proof-of-concept stage where successes were proven using trivial scientific computing workloads only. Real-life Java applications with commercial server workloads have not been well-studied on DJVMs. Their natures including complex and sometimes huge object graphs, irregular access patterns and frequent synchronizations are key scalability hurdles. To design a scalable DJVM for real-life applications, we identify three major unsolved issues calling for a top-to-bottom overhaul of traditional systems. First, we need a more time- and space-efficient cache coherence protocol to support fine-grained object sharing over the distributed shared heap. The recent prevalence of concurrent data structures with heavy use of volatile fields has added complications to the matter. Second, previous generations of DJVMs lack true support for memory-intensive applications. While the network-wide aggregated physical memory can be huge, mutual sharing of huge object graphs like Java collections may cause nodes to eventually run out of local heap space because the cached copies of remote objects, linked by active references, can’t be arbitrarily discarded. Third, thread affinity, which determines the overall communication cost, is vital to the DJVM performance. Data access locality can be improved by collocating highly-correlated threads, via dynamic thread migration. Tracking inter-thread correlations trades profiling costs for reduced object misses. Unfortunately, profiling techniques like active correlation tracking used in page-based DSMs would entail prohibitively high overheads and low accuracy when ported to fine-grained object-based DJVMs. This dissertation presents technical contributions towards all these problems. We use a dual-protocol approach to address the first problem. Synchronized (lock-based) and volatile accesses are handled by a home-based lazy release consistency (HLRC) protocol and a sequential consistency (SC) protocol respectively. The two protocols’ metadata are maintained in a conflict-free, memory-efficient manner. With further techniques like hierarchical passing of lock ownerships, the overall communication overheads of fine-grained distributed object sharing are pruned to a minimal level. For the second problem, we develop a novel uncaching mechanism to safely break a huge active object graph. When a JVM instance runs low on free memory, it initiates an uncaching policy, which eagerly assigns nulls to selected reference fields, thus detaching some older or less useful cached objects from the root set for reclamation. Careful orchestration is made between uncaching, local garbage collection and the coherence protocol to avoid possible data races. Lastly, we devise lightweight sampling-based profiling methods to derive inter-thread correlations, and a profile-guided thread migration policy to boost the system performance. Extensive experiments have demonstrated the effectiveness of all our solutions. / published_or_final_version / Computer Science / Doctoral / Doctor of Philosophy

La compilation de codee source vers du code octet combiné avec l'utilisation d'une machine virtuelle ou d'un interpréteur pour l'exécuter est devenue une pratique courante qui permet de conserver une indépendance face à la plateforme matérielle. Les interpréteurs sont portables et offrent une simplicité de développement qui en font un choix intéressant pour la conception de prototypes de nouveaux langages de programmation. L'optimisation des techniques d'interprétation existantes est un sujet de recherche qui nous intéresse particulièrement. Nous avons voulu, par l'entremise de notre projet de recherche, étudier jusqu'où il est possible de pousser l'optimisation dans un interpréteur. Après avoir étudié les types d'interpréteurs existants, nous avons constaté que les interpréteurs les plus performants se basent tous sur le même principe: La réduction du coût associé aux répartitions entre les instructions interprétées. Ce coût est causé par les instructions de répartitions elles-mêmes, mais surtout par l'augmentation du taux d'erreur qu'elles procurent dans les prédicteurs de branchement qui se trouvent au sein des processeurs modernes. Des mauvaises prédictions de branchements occasionnent des coûts importants sur une architecture pipelinée. L'interpréteur linéaire inclusif est un des plus performants qui existe. En nous basant sur cet interpréteur, nous avons fait la conception et l'implémentation d'un mécanisme qui lui permet d'augmenter la longueur des ses super-instructions et par le fait même de diminuer le nombre de répartitions pendant l'exécution. Nous avons mis au point un mécanisme dynamique d'inclusion partielle des méthodes dans cet interpréteur. Nous avons aussi conçu un système de profilage qui nous permet de détecter les sites d'invocations chauds et d'y effectuer l'inclusion du chemin le plus fréquenté de la méthode appelée. En brisant ainsi la frontière entre le corps des méthodes, nous parvenons à augmenter la longueur moyenne des super-instructions. Nous avons surmonté et résolu toutes les difficultés inhérentes à l'implémentation d'un tel système dans une véritable machine virtuelle Java (synchronisation, exceptions, présence d'un nettoyeur de mémoire, présence de sous routines dans le code octet Java). Nous fournissons une étude empirique de l'impact de notre système sur un interpréteur linéaire inclusif en exécutant des applications Java d'envergure. Dans tous les cas étudiés, on arrive à augmenter la longueur moyenne des super-instructions invoquées et à diminuer le nombre de répartitions pendant l'exécution. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Interpréteur, Inclusion, Inclusion partielle, Profilage, Machine virtuelle, Java, JVM, SableVM.

Le débogage tient une place grandissante dans le cycle de développement d'un logiciel. Les recherches dans ce domaine tentent de créer des outils permettant un accès plus rapide aux fautes, quel que soit le langage de programmation utilisé. Étant donné l'indépendance du code Java vis-à-vis de la plateforme sur laquelle il est exécuté, la machine virtuelle Java doit fournir un ensemble de mécanismes permettant aux outils de débogage d'accéder aux informations relatives à l'exécution de l'application déboguée. Bien que la grande majorité des machines virtuelles commerciales soient dotées de mécanismes de support au débogage, aucune libre, en revanche, n'offrait une telle fonctionnalité à l'achèvement de nos travaux. La principale motivation derrière ce mémoire a été la mise en lumière des différentes étapes jalonnant la mise en place d'une architecture de débogage Java totalement libre. Nous décrivons ici le choix de l'architecture et les critères nous ayant conduits à ce choix. Nous détaillons également les entités intervenant dans cette architecture, leur nature et leur rôle. Nous proposons enfin une critique constructive des normes régissant ce domaine, suggérant quelques améliorations possibles. Dans le cadre de nos travaux, nous avons réalisé l'implantation de l'interface de débogage Java (Java Virtual Machine Debug Interface, JVMDI) au sein de SableVM, machine virtuelle Java libre et conforme aux normes. D'autre part, nous avons développé un module indépendant permettant d'établir la connexion entre machine virtuelle Java et débogueur. Ce module gère également les objets manipulés durant une session de débogage, ainsi que les événements générés par la machine virtuelle. Finalement, nous avons connecté les éléments conçus ou modifiés dans le cadre de notre étude à d'autres éléments existants au préalable (Eclipse, un débogueur Java disponible librement). Les résultats obtenus lors des tests nous ont conforté dans les différents choix effectués lors du développement. L'utilisation de débogueurs totalement indépendants de la machine virtuelle utilisée, tel Eclipse, et la bonne tenue des sessions de débogage effectuées ont permis la validation de la conformité de nos travaux aux normes en vigueur. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Machine virtuelle, Java, SableVM, Débogage, Interface de débogage, Architecture de débogage, JDWP, JVMDI, JPDA, JVMTI, JRE.

L'utilisation du langage Java dans plusieurs environnements (web, systèmes embarqués, systèmes mobiles, etc.) a élevé considérablement le niveau d'exigence envers ce langage, ce qui a amené les chercheurs et les développeurs à s'intéresser au système de sécurité de la Machine Virtuelle Java (MVJ) qui repose principalement sur le vérificateur du code octet. Dans ce mémoire, nous expliquons le fonctionnement du vérificateur Java, son rôle, les différentes techniques proposées pour son implémentation et un algorithme que nous proposons comme alternative sérieuse aux autres vérificateurs qui existent déjà. Nous nous intéresserons plus particulièrement à l'effet des sous-routines sur le bon typage des instructions. Nous présentons aussi une nouvelle approche de vérification de la synchronisation en nous basant sur l'analyse de flot de données et en identifiant les références qui pointent vers le même objet. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Machine Virtuelle Java, Code octet, Vérificateur, Synchronisation, Java, ClassLoader, Instructions, Treillis, Analyse de flot de données, Fonctions de transfert, Point fixe.

Many significant system extensions are hard to modularize. Consequently, their addition to a software system can jeopardize fundamental software engineering principles such as maintainability, understandability and evolvability. For example, the distributed Java Virtual Machine (dJVM) is a cluster aware implementation of a JVM in which distribution was retroactively added as an extension to an existing system. The prototype implementation of the dJVM relies on a patch file applied to IBM’s Jikes Research Virtual Machine (RVM), introducing distribution code into roughly 55% of the original 1166 Java files. In order to better determine the efficacy of modern modularization techniques such as aspect-oriented programming (AOP) in the context of system extensions, we offer up a case study based on distribution. The thesis of this work is that aspects can enhance extensibility of low-level system infrastructure software and be effectively integrated with existing software practices for introducing widespread change.

No description available.

This report presents the SHAP platform consisting of its microarchitecture and its implementation of the Java Virtual Machine (JVM). Like quite a few other embedded implementations of the Java platform, the SHAP microarchitecture relies on an instruction set architecture based on Java bytecode. Unlike them, it, however, features a design with well-encapsulated components autonomously managing their duties on rather high abstraction levels. Thus, permanent runtime duties are transferred from the central computing core to concurrently working components so that it can actually spent a larger fraction of time executing application code. The degree of parallelity between the application and the runtime implementation is increased. Currently, the stack and heap management including the automatic garbage collection are implemented this way. After detailing the design of the microarchitecture, the SHAP implementation of the Java Virtual Machine is described. A major focus is laid on the presentation of the layout and the use of the runtime data structures representing the various language abstractions provided by Java. Also, the boot sequence starting the JVM is described.

With the popularity of Smart Handset devices, much more discussion of the design and development of embedded systems, some of embedded system problems such as the stability and efficiency of the device, the easy-operating interface design and a variety of application design are more and more important. Application development in the embedded systems is often limited by the system resource such as memory. Compared with common computer systems, embedded system got very limited memory. Therefore, program development in the embedded systems often need to consider the problem of insufficient memory, and program design must also avoid using too large number of memory allocation to cause the program take up a lot of system memory, affecting the system operation, causing the system hazard. Java is one of the common programming languages using in the embedded system development. Based on the high portability, Java programs can easily port to another system environment by using the Java virtual machine. However, the Java programming is also restricted, such as Java programming is not allowed to access memory space direct, and the memory allocation and release are all controlled by the system, rather than users. The purpose of the research is to design a set of Java programming tools. It can be applied to Android Dalvik virtual machine, which is responsible for operating the memory allocation and release, to allow users to control memory so as to ensure that memory can be reused to avoid the system hazard caused by the system memory leak problem.