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Oliveira, L. P., and J. M. Lourenço, "Aceleração de Computações Científicas com Processadores Heterogéneos", InForum 2011: Proceedings of InForum Simpósio de Informática, Coimbra, Universidade do Coimbra, 2011. Abstractinforum-pitxyoki.pdf

Actualmente o mercado residencial de computadores inclui não só multiprocessadores com diversos núcleos (CPUs) como também placas gráficas (GPUs) cuja capacidade de processamento tem evoluído a um ritmo exponencial. Este poder computacional pode ser utilizado para outros fins para além do processamento gráfico, tal como o processamento de algoritmos comuns em computação científica. Neste artigo é apresentada, discutida e avaliada a framework Cheetah, uma framework que distribui programas computacionalmente exigentes sobre uma rede de CPUs e GPUs. Um programador que utilize a Cheetah apenas necessita de especificar o seu programa como um conjunto de kernels OpenCL, relegando para a framework a distribuição destes pelas unidades de processamento disponíveis. O programa pode assim escalar à medida que são adicionados novos recursos computacionais, sem quaisquer esforços adicionais de adaptação ou recompilação. Os testes realizados demonstraram a capacidade de a framework providenciar aceleracçõs até duas ordens de grandeza com um esforço de desenvolvimento reduzido, mesmo quando na presença de recursos computacionais limitados.

Orosa, L., and J. M. Lourenço, "Hardware Approach for Detecting, Exposing and Tolerating High Level Atomicity Violations", Proceedings of Joint Euro-TM/MEDIAN Workshop on Dependable Multicore and Transactional Memory Systems, Vienna, Austria, jan, 2014. Abstractdmtm-2014-lorosa.pdf

In this paper we address a solution for detecting and tolerating one of the most typical concurrency bugs: atomicity violations. More specifically, we address High-Level Atomicity Violations (HLAV). High-level atomicity violations result from the misspecification of the scope of an atomic block, by splitting it in two or more atomic blocks which may be interleaved with other atomic blocks. Figure 1 shows an example of this type of atomicity violation. The intuitive idea behind HLAV is that if two shared data items (e.g., memory locations) were both accessed inside an atomic block, they are interrelated and probably the programmer intention is that there shall be no interleavings between these two accesses. Therefore, if (in the same program) this two addresses are accessed separately in different atomic blocks, an unfortunate interleaving may cause an atomicity violation.

Paulino, H., J. A. Martins, J. M. Lourenço, and N. Duro, "SmART: An Application Reconfiguration Framework", Complex Systems Design & Management: Springer Berlin Heidelberg, pp. 73–84, 2010. Abstractcsdm.pdf

SmART (Smart Application Reconfiguration Tool) is a framework for the automatic configuration of systems and applications. The tool implements an application configuration workflow that resorts to the similarities between configuration files (i.e., patterns such as parameters, comments and blocks) to allow a syntax independent manipulation and transformation of system and application configuration files.Without compromising its generality, SmART targets virtualized IT infrastructures, configuring virtual appliances and its applications. SmART reduces the time required to (re)configure a set of applications by automating time-consuming steps of the process, independently of the nature of the application to be configured. Industrial experimentation and utilization of SmART show that the framework is able to correctly transform a large amount of configuration files into a generic syntax and back to their original syntax. They also show that the elapsed time in that process is adequate to what would be expected of an interactive tool. SmART is currently being integrated into the VIRTU bundle, whose trial version is available for download from the projects web page.

Pessanha, V., R. J. Dias, J. M. Lourenço, E. Farchi, and D. Sousa, "Practical verification of high-level dataraces in transactional memory programs", Proceedings of 9th the Workshop on Parallel and Distributed Systems: Testing, Analysis, and Debugging, New York, NY, USA, ACM, pp. 26–34, July, 2011. Abstractisstaws11padtad-4-pessanha.pdf

In this paper we present MoTh, a tool that uses static analysis to enable the automatic verification of concurrency anomalies in Transactional Memory Java programs. Currently MoTh detects high-level dataraces and stale-value errors, but it is extendable by plugging-in sensors, each sensor implementing an anomaly detecting algorithm. We validate and benchmark MoTh by applying it to a set of well known concurrent buggy programs and by close comparison of the results with other similar tools. The results achieved so far are very promising, yielding good accuracy while triggering only a very limited number of false warnings.

Preguiça, N., R. Rodrigues, C. Honorato, and J. M. Lourenço, "Byzantium: Byzantine-fault-tolerant database replication providing snapshot isolation", Proceedings of the Fourth conference on Hot topics in system dependability, Berkeley, CA, USA, USENIX Association, pp. 9–9, 2008. Abstractbyzantium-hotdep.pdf

Database systems are a key component behind many of today's computer systems. As a consequence, it is crucial that database systems provide correct and continuous service despite unpredictable circumstances, such as software bugs or attacks. This paper presents the design of Byzantium, a Byzantine fault-tolerant database replication middleware that provides snapshot isolation (SI) semantics. SI is very popular because it allows increased concurrency when compared to serializability, while providing similar behavior for typical workloads. Thus, Byzantium improves on existing proposals by allowing increased concurrency and not relying on any centralized component. Our middleware can be used with off-the-shelf database systems and it is built on top of an existing BFT library.

Silva, J. A., T. M. Vale, R. J. Dias, H. Paulino, and J. M. Lourenço, "Supporting Multiple Data Replication Models in Distributed Transactional Memory", Proceedings of the 2015 International Conference on Distributed Computing and Networking, Goa, India, ACM, pp. 11:1–11:10, 2015. Abstracticdcn15-jsilva.pdf

Distributed transactional memory (DTM) presents itself as a highly expressive and programmer friendly model for concurrency control in distributed programming. Current DTM systems make use of both data distribution and replication as a way of providing scalability and fault tolerance, but both techniques have advantages and drawbacks. As such, each one is suitable for different target applications, and deployment environments. In this paper we address the support of different data replication models in DTM. To that end we propose ReDstm, a modular and non-intrusive framework for DTM, that supports multiple data replication models in a general purpose programming language (Java). We show its application in the implementation of distributed software transactional memories with different replication models, and evaluate the framework via a set of well-known benchmarks, analysing the impact of the different replication models on memory usage and transaction throughput.

Silva, J. A., T. M. Vale, R. J. Dias, H. Paulino, and J. M. Lourenço, "Supporting Partial Data Replication in Distributed Transactional Memory", Proceedings of Joint Euro-TM/MEDIAN Workshop on Dependable Multicore and Transactional Memory Systems, Vienna, Austria, jan, 2014. Abstractdmtm14-jsilva.pdf


Silva, J. A., H. Paulino, and J. M. Lourenço, "Crowd-Sourcing Mobile Devices to Provide Storage in Edge-Clouds", Proceedings of the Doctoral Symposium of the 16th International Conference on Distributed Computing and Networking, Jan, 2015. Abstracticdcn15srf.pdf

Given the proliferation and enhanced capabilities of mobile devices, their computational and storage resources can now be combined in a wireless cloud of nearby mobile devices, a mobile edge-cloud. These clouds are of particular interest in low connectivity scenarios, e.g., sporting events and disaster scenarios. In these dynamic clouds it is necessary to reliably disseminate and share data, and also to offload data processing computations to other devices in the edge-cloud. We are particularly interested in supporting storage services in these new type of edge-clouds, as a mean to enable data sharing, dissemination and querying, as well as to serve as a distributed file system for offloaded computations. In this Ph.D. thesis, we propose to address these questions by researching on the usage of ad-hoc clouds of mobile devices to develop an efficient storage service capable of providing high availability and reliability.

Silva, J., J. M. Lourenço, and H. Paulino, "Boosting Locality in Multi-version Partial Data Replication", Proceedings of the 30th ACM/SIGAPP Symposium On Applied Computing (SAC'15), 2015. Abstractsac15_cache.pdf


Silva, J. A., T. M. Vale, J. M. Lourenço, and H. Paulino, "Replicação Parcial com Memória Transacional Distribuída", Proceedings of INForum Simpósio de Informática, Lisbon, Portugal, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, pp. 310–321, 2013. Abstractinforum13-silva.pdf

Os sistemas de memória transacional distribuída atuais recorrem essencialmente à distribuição ou à replicação total para distribuir os seus dados pelos múltiplos nós do sistema. No entanto, estas estratégias de replicação de dados apresentam limitações. A distribuição não oferece tolerância a falhas e a replicação total limita a capacidade de armazenamento do sistema. Nesse contexto, a replicação parcial de dados surge como uma solução intermédia, que combina o melhor das duas anteriores com o intuito de mitigar as suas desvantagens. Esta estratégia tem sido explorada no contexto das bases de dados distribuídas, mas tem sido pouco abordada no contexto da memória transacional e, tanto quanto sabemos, nunca antes tinha sido incorporada num sistema de memória transacional distribuída para uma linguagem de propósito geral. Assim, neste artigo propomos e avaliamos uma infraestrutura para replicação parcial de dados para programas Java bytecode, que foi desenvolvida com base num sistema já existente de memória transacional distribuída. A modularidade da infraestrutura que apresentamos permite a implementação de múltiplos algoritmos e, por conseguinte, avaliar em que contextos de utilização (workloads, número de nós, etc.) a replicação parcial se apresenta como uma alternativa viável a outras estratégias de replicação de dados.

Silva, J. A., J. M. Lourenço, and H. Paulino, "Um Mecanismo de Caching para o Protocolo {SCORe}", Proceedings of INForum Simpósio de Informática, Porto, Portugal, FEUP Edições, pp. 260–275, sep, 2014. Abstractinforum14-jsilva.pdf

Os protocolos de replicação parcial de dados apresentam um grande potencial de escalabilidade. O SCORe é um protocolo para replicação parcial proposto recentemente que faz uso de controlo de concorrência multi-versão. Neste artigo abordamos um dos problemas principais que afeta o desempenho deste tipo de protocolos: a localidade dos dados, i.e., pode-se dar o caso do nó local não ter uma cópia dos dados a que pretende aceder, e nesse caso é necessário realizar uma ou mais operações de leitura remota. Assim, a não ser que se empreguem técnicas para melhorar a localidade no acesso aos dados, o número de operações de leitura remota aumenta com o tamanho do sistema, acabando por afetar o desempenho do mesmo. Nesse sentido, introduzimos um mecanismo de caching que permite replicar cópias de dados remotos de maneira a que seja poss{\'ı}vel servir localmente dados remotos enquanto que se mantém a consistência dos mesmos e a escalabilidade oferecida pelo protocolo. Avaliamos o mecanismo de caching com um benchmark conhecido da literatura e os resultados experimentais mostram resultados animadores com algum aumento no desempenho do sistema e uma redução considerável da quantidade de operações de leitura remota.

Soares, J., J. M. Lourenço, and N. Preguiça, "MacroDB: Scaling Database Engines on Multicores", Euro-Par 2013 Parallel Processing, vol. 8097: Springer Berlin Heidelberg, pp. 607-619, 2013. Abstracteuropar2013-soares.pdf


Sousa, D. G., J. M. and Lourenço, E. Farchi, and I. Segall, "Aplicação do Fecho de Programas na Deteção de Anomalias de Concorrência", INForum 2012: Proceedings of INForum Simpósio de Informática, Monte de Caparica, PT, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, 6 Sep., 2012. Abstractinforum-closure.pdf

Uma das estratégias para tirar partido dos múltiplos processadores disponíveis nos computadores atuais passa por adaptar código legado, inicialmente concebido para ser executado num contexto meramente sequencial, para ser agora executado num contexto multithreading. Nesse processo de adaptação é necessário proteger apropriadamente os dados que são agora partilhados e acedidos por diferentes threads concorrentes. A proteção dos dados com locks usando uma granulosidade grossa inibe a concorrência e opõe-se ao objetivo inicial de explorar o paralelismo suportado por múltiplos processadores. Por outro lado, a utilização de uma granulosidade fina pode levar à ocorrência de anomalias próprias da concorrência, como deadlocks e violações de atomicidade (high-level data races). Este artigo discute o conceito de fecho de um programa e uma metodologia que, quando aplicados em conjunto, permitem adaptar código legado para o tornar thread-safe, garantindo a ausência de violações de atomicidade na versão corrente do software e antecipando algumas violações de atomicidade que poderão ocorrer em versões futuras do mesmo software.

Sousa, D. G., R. J. Dias, C. Ferreira, and J. M. Lourenço, "Preventing Atomicity Violations with Contracts", ArXiv e-prints, 2015. Abstract1505.02951v1-dsousa.pdfWebsite

Software developers are expected to protect concurrent accesses to shared regions of memory with some mutual exclusion primitive that ensures atomicity properties to a sequence of program statements. This approach prevents data races but may fail to provide all necessary correctness properties.The composition of correlated atomic operations without further synchronization may cause atomicity violations. Atomic violations may be avoided by grouping the correlated atomic regions in a single larger atomic scope. Concurrent programs are particularly prone to atomicity violations when they use services provided by third party packages or modules, since the programmer may fail to identify which services are correlated. In this paper we propose to use contracts for concurrency, where the developer of a module writes a set of contract terms that specify which methods are correlated and must be executed in the same atomic scope. These contracts are then used to verify the correctness of the main program with respect to the usage of the module(s). If a contract is well defined and complete, and the main program respects it, then the program is safe from atomicity violations with respect to that module. We also propose a static analysis based methodology to verify contracts for concurrency that we applied to some real-world software packages. The bug we found in Tomcat 6.0 was immediately acknowledged and corrected by its development team.

Sousa, D. G., C. Ferreira, and J. M. Lourenço, "Prevenção de Violações de Atomicidade usando Contractos", Proceedings of INForum Simpósio de Informática, Lisbon, Portugal, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, pp. 190–201, sep, 2013. Abstractinforum2013-sousa.pdf

A programação concorrente obriga o programador a sincronizar os acessos concorrentes a regiões de memória partilhada, contudo esta abordagem não é suficiente para evitar todas as anomalias que podem ocorrer num cenário concorrente. Executar uma sequência de operações atómicas pode causar violações de atomicidade se existir uma correlação entre essas operações, devendo o programador garantir que toda a sequência de operações é executada atomicamente. Este problema é especialmente comum quando se usam operações de pacotes ou módulos de terceiros, pois o programador pode identificar incorretamente o âmbito das regiões de código que precisam de ser atómicas para garantir o correto comportamento do programa. Para evitar este problema o programador do módulo pode criar um contrato que especifica quais as sequências de operações do módulo que devem ser sempre executadas de forma atómica. Este trabalho apresenta uma análise estática para verificação destes contratos.

Teixeira, B., J. M. Lourenço, E. Farchi, R. J. Dias, and D. Sousa, "Detection of Transactional Memory Anomalies using Static Analysis", Proceedings of the 8th Workshop on Parallel and Distributed Systems: Testing, Analysis, and Debugging (PADTAD'10), New York, NY, USA, ACM, pp. 26–36, 2010. Abstractpadatad-teixeira-2010.pdf

Transactional Memory allows programmers to reduce the number of synchronization errors introduced in concurrent programs, but does not ensures its complete elimination. This paper proposes a pattern matching based approach to the static detection of atomicity violation, based on a path-sensitive symbolic execution method to model four anomalies that may affect Transactional Memory programs. The proposed technique may be used to to bring to programmer's attention pairs of transactions that the programmer has mis-specified, and should have been combined into a single transaction. The algorithm first traverses the AST tree, removing all the non-transactional blocks and generating a trace tree in the path sensitive manner for each thread. The trace tree is a Trie like data structure, where each path from root to a leaf is a list of transactions. For each pair of threads, erroneous patterns involving two consecutive transactions are then checked in the trace tree. Results allow to conclude that the proposed technique, although triggering a moderate number of false positives, can be successfully applied to Java programs, correctly identifying the vast majority of the relevant erroneous patterns.

Teixeira, B., J. M. Lourenço, and D. Sousa, "A Static Approach for Detecting Concurrency Anomalies in Transactional Memory", Proceedings of INForum Simpósio de Informática (InForum 2010), Braga, Portugal, Universidade do Minho, 2010. AbstractINForum-teixeira-2010.pdf

Programs containing concurrency anomalies will most probably exhibit harmful erroneous and unpredictable behaviors. To ensure program correctness, the sources of those anomalies must be located and corrected. Concurrency anomalies in Transactional Memory (TM) programs should also be diagnosed and fixed. In this paper we propose a framework to deal with two different categories of concurrency anomalies in TM. First, we will address low-level TM anomalies, also called dataraces, which arise from executing programs in weak isolation. Secondly, we will address high-level TM anomalies, also called high-level dataraces, bringing the programmers attention to pairs of transactions that the programmer has misspecified, and should have been combined into a single transaction. Our framework was validated against a set of programs with well known anomalies and demonstrated high accuracy and effectiveness, thus contributing for improving the correctness of TM programs

Vale, T. M., R. J. Dias, and J. M. Lourenço, "On the Relevance of Total-Order Broadcast Implementations in Replicated Software Transactional Memories", Multicore Software Engineering, Performance, and Tools, vol. 8063: Springer Berlin Heidelberg, pp. 49-60, 2013. Abstractmusepat13-vale.pdf


Vale, T. M., R. J. Dias, and J. M. Lourenço, "Uma Infraestrutura para Suporte de Memória Transacional Distribuída", INForum 2012: Proceedings of INForum Simpósio de Informática, Monte de Capraica, PT, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, 7 Sep., 2012. Abstractinforum-dstm.pdf

As técnicas e algoritmos desenvolvidos sobre diferentes infraestruturas específicas dificilmente podem ser comparados entre si. Este princípio também se aplica às infraestruturas para execução de Memória Transacional Distribuída (MTD), pois não só são muito escassas aquelas que permitem o desenvolvimento, teste e comparação de vários algoritmos e técnicas de implementação, como fornecem uma interface intrusiva para o programador. Sem uma comparação justa, não é possível aferir quais as técnicas e algoritmos mais apropriados em cada contexto de utilização (workload). Neste artigo propomos uma infraestrutura generalista, muito flexível, que possibilita a experimentação de várias estratégias de MTD, permitindo o desenvolvimento de uma grande variedade de algoritmos e de técnicas de implementação eficientes e otimizadas. Através da sua utilização, é agora possível a comparação de técnicas e algoritmos em diferentes contextos de utilização (workloads), recorrendo a uma única infraestrutura e com implicações mínimas no código da aplicação.

Vale, T., R. J. Dias, J. A. Silva, and J. M. Lourenço, "Execução concorrente e determinista de transações", Proceedings of INForum Simpósio de Informática, Covilhã, Portugal, 2015. Abstractinforum15-pot.pdf

Neste artigo apresentamos um protocolo de controlo de concorrência que garante que a execução concorrente de transações é equivalente à sua execução sequencial por uma ordem predefinida. Isto permite executar programas que usam transações de forma determinista. O protocolo (1) permite, pela primeira vez, a execução determinista de programas que usam memória transacional por hardware; e (2) garante a execução determinista de programas que usam memória transacional por software com um desempenho claramente superior ao estado da arte.