Virtualization support for application runtime specialization and extension

par Guillermo Polito

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Stéphane Ducasse, Noury Bouraqadi et de Luc Fabresse.

  • Titre traduit

    Virtualisation pour spécialisation et extension d'environnements d'exécution


  • Résumé

    Un environnement d'exécution est l'ensemble des éléments logiciels qui représentent une application pendant son exécution. Les environnements d'exécution doivent être adaptables à différents contextes. Les progrès des technologies de l'information, tant au niveau logiciel qu'au niveau matériel, rendent ces adaptations nécessaires. Par exemple, nous pouvons envisager d'étendre un langage de programmation pour améliorer la productivité des développeurs. Aussi, nous pouvons envisager de réduire la consommation mémoire des applications de manière transparente afin de les adapter à certaines contraintes d'exécution e.g., des réseaux lents ou de la mémoire limités. Nous proposons Espell, une infrastructure pour la virtualisation d'environnement d'éxécution de langages orienté-objets haut-niveau. Espell fournit une infrastructure généraliste pour le contrôle et la manipulation d'environnements d'exécution pour différentes situations. Une représentation de "premier-ordre" de l'environnement d'exécution orienté-objet, que nous appelons "object space", fournit une interface haut-niveau qui permet la manipulation de ces environnements et clarifie le contrat entre le langage et la machine virtuelle. Un hyperviseur est client d'un object space et le manipule soit directement au travers d'objets "miroirs", soit en y exécutant des expressions arbitraires. Nous avons implémenté un prototype de Espell sur Pharo. Nous montrons au travers de notre prototype que cet infrastructure supporte le "bootstrapping" (i.e., l'amorçage ou initialisation circulaire) des langages et le "tailoring"~(i.e., la construction sur-mesure ou "taille") d'environnement d'exécution. En utilisant l'amorçage nous initialisons un langage orienté-objet haut-niveau qui est auto-décrit. Un langage amorcé profite de ses propres abstractions se montrant donc plus simple à étendre. Nous avons amorcé quatre langages qui présentent des modèles de programmation différents e.g., avec des "traits", avec des variables d'instance de 'premier-ordre' ou avec une couche réflexive basé sur le concept de "miroirs". La taille d'environnements d'exécution est une technique qui génère une application spécialisé en extrayant seulement le code utilisé pendant l'exécution d'un programme. Une application taillée inclut seulement les classes et méthodes qu'elle nécessite, et évite que des librairies et des frameworks externes surchargent inutilement la base de code. Notre technique de taille basé sur Espell, que nous appelons "run-fail-grow" (i.e., exécuter-échouer-grandir), créé des versions spécialisées des applications, en sauvant entre un 95% et 99% de la mémoire en comparaison avec la distribution officielle de Pharo.


  • Résumé

    An application runtime is the set of software elements that represent an application during its execution. Application runtimes should be adaptable to different contexts. Advances in computing technology both in hardware and software indeed demand it. For example, on one side we can think on extending a programming language to enhance the developers' productivity. On the other side we can also think on transparently reducing the memory footprint of applications to make them fit in constrained resource scenarios e.g., low networks or limited memory availability. We propose Espell, a virtualization infrastructure for object-oriented high-level languages runtimes. Espell provides a general purpose infrastructure to control and manipulate object-oriented runtimes in different situations. A first-class representation of an object-oriented runtime, namely an "object space", provides a high-level API that allows the manipulation of such runtime and clarifies the contract between the language and the virtual machine. A hypervisor is the client of an object space and manipulates it either directly through mirror objects, either by executing arbitrary expressions into it. We implemented a Espell prototype on Pharo. We show with this prototype that this infrastructure supports language "bootstrapping" and application runtime "tailoring". Using bootstrapping we describe an object-oriented high-level language initialization in terms of itself. A bootstrapped language takes benefit of its own abstractions and shows easier to extend. We bootstrapped four languages presenting different programming models e.g., traits, first-class instance variables and mirror-based reflection. Application runtime tailoring is a technique that generates a specialized application by extracting the elements of a program that are used during execution. A tailored application encompasses only the classes and methods it needs and avoids the code bloat that appears from the usage of third-party libraries and frameworks. Our run-fail-grow tailoring technique based on Espell succeeds in creating specialized versions of applications, saving between a 95% and 99% of memory in comparison with Pharo's official distribution.


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