Synchronization costs in parallel programs and concurrent data structures

by Vitalii Aksenov

Doctoral thesis in Informatique. Programmation simultanée

defended on 26-09-2018

in Sorbonne Paris Cité and the jointly supervising institution l'ITMO University , under the authority of École doctorale de Sciences mathématiques de Paris Centre (Paris) , in a partnership with Institut de recherche en informatique fondamentale (Paris) (équipe de recherche) and Université Paris Diderot - Paris 7 (établissement de préparation) .


  • Abstract

    To use the computational power of modern computing machines, we have to deal with concurrent programs. Writing efficient concurrent programs is notoriously difficult, primarily due to the need of harnessing synchronization costs. In this thesis, we focus on synchronization costs in parallel programs and concurrent data structures.First, we present a novel granularity control technique for parallel programs designed for the dynamic multithreading environment. Then in the context of concurrent data structures, we consider the notion of concurrency-optimality and propose the first implementation of a concurrency-optimal binary search tree that, intuitively, accepts a concurrent schedule if and only if the schedule is correct. Also, we propose parallel combining, a technique that enables efficient implementations of concurrent data structures from their parallel batched counterparts. We validate the proposed techniques via experimental evaluations showing superior or comparable performance with respect to state-of-the-art algorithms.From a more formal perspective, we consider the phenomenon of helping in concurrent data structures. Intuitively, helping is observed when the order of some operation in a linearization is fixed by a step of another process. We show that no wait-free linearizable implementation of stack using read, write, compare&swap and fetch&add primitives can be help-free, correcting a mistake in an earlier proof by Censor-Hillel et al. Finally, we propose a simple way to analytically predict the throughput of data structures based on coarse-grained locking

  • Alternative Title

    Coûts de synchronization dans les programmes parallèlles et les structures de données simultanées


  • Abstract

    Pour utiliser la puissance de calcul des ordinateurs modernes, nous devons écrire des programmes concurrents. L’écriture de programme concurrent efficace est notoirement difficile, principalement en raison de la nécessité de gérer les coûts de synchronisation. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les coûts de synchronisation dans les programmes parallèles et les structures de données concurrentes.D’abord, nous présentons une nouvelle technique de contrôle de la granularité pour les programmes parallèles conçus pour un environnement de multi-threading dynamique. Ensuite, dans le contexte des structures de données concurrentes, nous considérons la notion d’optimalité de concurrence (concurrency-optimality) et proposons la première implémentation concurrence-optimal d’un arbre binaire de recherche qui, intuitivement, accepte un ordonnancement concurrent si et seulement si l’ordonnancement est correct. Nous proposons aussi la combinaison parallèle (parallel combining), une technique qui permet l’implémentation efficace des structures de données concurrences à partir de leur version parallèle par lots. Nous validons les techniques proposées par une évaluation expérimentale, qui montre des performances supérieures ou comparables à celles des algorithmes de l’état de l’art.Dans une perspective plus formelle, nous considérons le phénomène d’assistance (helping) dans des structures de données concurrentes. On observe un phénomène d’assistance quand l’ordre d’une opération d’un processus dans une trace linéarisée est fixée par une étape d’un autre processus. Nous montrons qu’aucune implémentation sans attente (wait-free) linéarisable d’une pile utilisant les primitives read, write, compare&swap et fetch&add ne peut être “sans assistance” (help-free), corrigeant une erreur dans une preuve antérieure de Censor-Hillel et al. Finalement, nous proposons une façon simple de prédire analytiquement le débit (throughput) des structures de données basées sur des verrous à gros grains.


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