My research has been on the development of concurrent algorithms for shared memory systems that provide guarantees of progress. Research into such algorithms is important to developers implementing applications on mission critical and time sensitive systems. These guarantees of progress provide safety properties and freedom from many hazards, such as dead-lock, live-lock, and thread starvation. In addition to the safety concerns, the fine-grained synchronization used in implementing these algorithms promises to provide scalable performance in massively parallel systems. My research has resulted in the development of wait-free versions of the stack, hash map, ring buffer, vector, and a multi-word compare-and-swap algorithms. Through this experience, I have learned and developed new techniques and methodologies for implementing non-blocking and wait-free algorithms. I have worked with and refined existing techniques to improve their practicality and applicability. In the creation of the aforementioned algorithms, I have developed an association model for use with descriptor-based operations. This model, originally developed for the multi-word compare-and-swap algorithm, has been applied to the design of the vector and ring buffer algorithms. To unify these algorithms and techniques, I have released Tervel, a wait-free library of common algorithms and containers. This library includes a framework that simplifies and improves the design of non-blocking algorithms. I have reimplemented several algorithms using this framework and the resulting implementation exhibits less code duplication and fewer perceivable states. When reimplementing algorithms, I have adapted their Application Programming Interface (API) specification to remove ambiguity and non-deterministic behavior found when using a sequential API in a concurrent environment. To improve the performance of my algorithm implementations, I extended OVIS's Lightweight Distributed Metric Service (LDMS)'s data collection and transport system to support performance monitoring using perf_event and PAPI libraries. These libraries have provided me with deeper insights into the behavior of my algorithms, and I was able to use these insights to improve the design and performance of my algorithms.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20883号 / 理博第4335号 / 新制||理||1623(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科数学・数理解析専攻 / (主査)教授 西村 進, 教授 上 正明, 教授 長谷川 真人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Cette thèse étudie les principes de mise en oeuvre pour l'exécution sur un même ordinateur, de tâches de niveaux de criticité différents, et dont certaines peuvent avoir des contraintes temps réel dur. Les difficultés pour réaliser ces objectifs forment trois catégories. Il faut d'abord prouver que les tâches disposeront d'assez de ressources pour s'exécuter; il doit être ainsi possible d'avoir des politiques d'allocations et d'ordonnancement sûres, prévisibles et simples. Il faut également apporter des garanties de sécurité pour s'assurer que les tâches critiques s'exécuteront correctement en présence de défaillances ou malveillances. Enfin, le système doit pouvoir être réutilisé dans une variété de situations. Cette thèse propose de s'attaquer au problème par la conception d'un système hautement sécurisé, extensible, et qui soit indépendant des politiques d'allocation de ressources. Cela est notamment accompli par le prêt de ressource, qui permet de décompter les ressources indépendamment des domaines de protection. Cette approche évite d'avoir à partitionner les ressources, ce qui simplifie le problème global de l'allocation et permet de ne pas gâcher de ressources. Les problèmes de type inversion de priorité, famine ou dénis de service sont supprimés à la racine. Nous démontrons la faisabilité de cette approche è l'aide d'un prototype, Anaxagoros. La démarche que nous proposons simplifie drastiquement l'allocation des ressources mais implique des contraintes dans l'écriture de services partagés (comme les pilotes de périphériques). Les principales difficultés consistent en des contraintes de synchronisation supplémentaires. Nous proposons des mécanismes originaux et efficaces pour résoudre les problèmes de concurrence et synchronisation, et une méthodologie générale pour faciliter l'écriture sécurisée de ces services partagés.

Les besoins en ressources CPU dans l'automobile sont en constante augmentation. Le standard de développement logiciel AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture) - développé au sein d'un consortium regroupant des fabricants de véhicules et des sous-traitants - offre désormais la possibilité de s'orienter vers de nouvelles architectures : les microcontrôleurs multicœur. Leur introduction au sein des systèmes embarqués critiques apporte un lot de problèmes allant à l'encontre des objectifs de sûreté de fonctionnement ISO 26262. Par exemple, le parallélisme des cœurs impose de maîtriser l'ordonnancement pour respecter les contraintes de dépendance entre les tâches, et le partage des données intercœur doit être effectué en assurant leur cohérence. Notre approche s'articule en deux volets. Pour vérifier les contraintes de dépendance entre les tâches, les exigences sur les flots de données sont utilisées pour synthétiser des moniteurs à l'aide de l'outil Enforcer. Un service de vérification en ligne utilise ces moniteurs (injectés dans le noyau du système d'exploitation) pour vérifier le comportement du système. Enfin, pour maîtriser le partage des données intercœur, nous proposons une alternative aux protocoles bloquants. Le protocole wait-free STM-HRT (Software Transactional Memory for Hard Real-Time systems), est conçu sur les principes des mémoires transactionnelles afin d'améliorer la robustesse des systèmes.

Dans un ordinateur multiprocesseur, lors de l'accès à la mémoire partagée, il faut synchroniser les entités de calcul (processus). Cela peut se faire à l'aide de verrous, mais des problèmes se posent (par exemple interblocages, mauvaise tolérance aux pannes). On s'est intéressé à l'implémentation d'abstractions (consensus et construction universelle) qui peuvent faciliter la programmation concurrente sans attente, sans utiliser de verrous mais basés sur des lectures/écritures atomiques (LEA). L'usage exclusive des LEA ne permet pas de réaliser un consensus sans attente. Néanmoins, autoriser l'usage de primitives offrant une puissance de synchronisation plus forte que des LEA, mais coûteuse en temps de calcul, le permet. Nous nous sommes donc intéressés dans cette thèse à des programmes qui limitent l'usage de ces primitives aux seules situations où les processus sont en concurrence, ces programmes sont dit solo-rapides. Une autre piste étudiée est de permettre à l'objet, lorsqu'il y a de la concurrence, de retourner une réponse spéciale "abandon" qui signifie l'abandon des calculs en cours. Ces objets sont dit abandonnables. D'une part, nous donnons des implémentations d'objets concurrents sans attente, abandonnables et/ou solo-rapides. Pour cela, nous proposons une construction universelle qui assure à l'objet implémenté d'être abandonnable et solo-rapide ; nous avons réalisés des algorithmes de consensus solo-rapides et des algorithmes de consensus abandonnable. D'autre part nous étudions la complexité en espace de ces implémentations en proposant des bornes inférieures sur l'implémentation des objets abandonnables et sur le consensus. / In multiprocessor computer, synchronizations between processes are needed for the access to the shared memory. Usually this is done by using locks, but there are some issues as deadlocks or lack of fault-tolerance. We are interested in implementing abstractions (as consensus or universal construction) which ease the programming of wait-free concurrent objects, without using lock but based on atomic Read/Write operations (ARW). Only using the ARW does not permit to implement wait-free consensus. The use of primitives which offer a higher power of synchronization than the ARW is needed. But these primitives are more expensive in computing time. Therefore, we are interested in this thesis in the design of algorithms which restrict the use of these primitives only to the cases where processes are in contention. These algorithms are said solo-fast. Another direction is to allow the object to abort the computation in progress - and to return a special response "abort" - when there is contention. These objects are named abortable. On the one hand we give wait-free, abortable and/or solo-fast concurrent object implementations. Indeed we proposed a universal construction which ensure to the implemented object to be abortable and solo-fast. We have also realized solo-fast consensus algorithms and abortable consensus algorithms. On the other hand, we study the space complexity of these implementations : we prove space lower bound on the implementation of abortable object and consensus.