Dealing with actor runtime environments on hierarchical shared memory multi-core platforms

par Emilio De Camargo Francesquini

Thèse de doctorat en Mathématiques-Informatique

Sous la direction de Jean-François Méhaut et de Alfredo Goldman.

Soutenue le 15-05-2014

à Grenoble en cotutelle avec l'Universidade de São Paulo (Brésil) , dans le cadre de École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'informatique de Grenoble (équipe de recherche) et de Laboratoire d'informatique (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Olivier A. Navaux.

Le jury était composé de Jean-François Méhaut, Alfredo Goldman, Laura M. Castro.

Les rapporteurs étaient Jean-Pierre Briot, Jomi Fred Hübner.

  • Titre traduit

    Environnements d'exécution à base d'acteurs pour plates-formes multi-coeurs à mémoire partagée hiérarchique


  • Résumé

    Le modèle de programmation à base d'acteurs a été intensivement utilisé pour le développement de grandes applications et systèmes. On citera par exemple la fonction chat de Facebook ou bien encore WhatsApp. Ces systèmes peuvent avoir plusieurs milliers d'utilisateurs connectés simultanément avec des contraintes fortes de performance et d'interactivité. Ces systèmes s"appuient sur des infrastructures informatiques basées sur des processeurs multi-cœurs. Ces infrastructures disposent en général d'un espace mémoire partagé et hiérarchique NUMA (Non-Uniform Memory Access). Notre analyse de l'état de l'art montre que peu d'études ont été menées sur l'adéquation des environnements d'exécution à base d'acteurs avec des plates-formes à mémoire hiérarchique. Ces environnements d'exécution font en général l'hypothèse que l'espace de mémoire est complètement plat, ce qui pose ensuite de sérieux problèmes de performance. Dans cette thèse, nous étudions les défis posés par les plates-formes multi-cœurs à mémoire hiérarchiques pour des environnements à base d'acteurs. Nous étudions plus particulièrement les problèmes de gestion mémoire, d'ordonnancement et d'équilibrage de charge.Dans la première partie de la thèse, nous avons analysé et caractérisé les applications basées sur le modèle d'acteurs. Cela a permis de mettre en évidence le fait que les exécutions des applications et benchmarks faisaient ressortir des structures de communication particulières que les environnements d'exécution se doivent de prendre en compte pour optimiser les performances. La prise en compte du graphe de communication et la mise en œuvre ont été effectuées dans un environnement d'exécution réel, la machine virtuelle (VM) du langage de programmation Erlang. Le langage de programmation Erlang s'appuie sur le modèle d'acteurs avec une syntaxe claire et cohérente pour la gestion des acteurs. Les modifications que nous avons intégrées à la machine virtuelle Erlang permettent d'améliorer significativement les performances grâce à une meilleure prise en compte de l'affinité entre des acteurs qui interagissent beaucoup. L'ordonnancement et la régulation de charge de l'application sont également améliorées grâce à une meilleure connaissance de l'application et de la topologie de la plate-forme. Une des perspectives serait d'intégrer ces contributions à d'autres environnements d'exécution à base d'acteurs, comme par exemple ceux des Kilim et Akka.


  • Résumé

    The actor model is present in several mission-critical systems, such as those supporting WhatsApp and Facebook Chat. These systems serve thousands of clients simultaneously, therefore demanding substantial computing resources usually provided by multi-processor and multi-core platforms. Non-Uniform Memory Access (NUMA) architectures account for an important share of these platforms. Yet, research on the the suitability of the current actor runtime environments for these machines is very limited. Current runtime environments, in general, assume a flat memory space, thus not performing as well as they could. In this thesis we study the challenges hierarchical shared memory multi-core platforms present to actor runtime environments. In particular, we investigate aspects related to memory management, scheduling, and load-balancing.In this document, we analyze and characterize actor based applications to, in light of the above, propose improvements to actor runtime environments. This analysis highlighted the existence of peculiar communication structures. We argue that the comprehension of these structures and the knowledge about the underlying hardware architecture can be used in tandem to improve application performance. As a proof of concept, we implemented our proposal using a real actor runtime environment, the Erlang Virtual Machine (VM). Concurrency in Erlang is based on the actor model and the language has a consistent syntax for actor handling. Our modifications to the Erlang VM significantly improved the performance of some applications thanks to better informed decisions on scheduling and on load-balancing. As future work we envision the integration of our approach into other actor runtime environments such as Kilim and Akka.


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