Low-cost memory analyses for efficient compilers

par Maroua Maalej Kammoun

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Frédéric Vivien et de Laure Gonnord.

Soutenue le 26-09-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de l'informatique du parallélisme (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Xavier Urbain.

Le jury était composé de Alain Girault, Karine Heydemann, Vincent Loechner.

Les rapporteurs étaient Sanjay Rajopadhye, Corinne Ancourt.

  • Titre traduit

    Analyses de mémoire à bas cout pour des compilateurs efficaces


  • Résumé

    La rapidité, la consommation énergétique et l'efficacité des systèmes logiciels et matériels sont devenues les préoccupations majeures de la communauté informatique de nos jours. Gérer de manière correcte et efficace les problématiques mémoire est essentiel pour le développement des programmes de grande tailles sur des architectures de plus en plus complexes. Dans ce contexte, cette thèse contribue aux domaines de l'analyse mémoire et de la compilation tant sur les aspects théoriques que sur les aspects pratiques et expérimentaux. Outre l'étude approfondie de l'état de l'art des analyses mémoire et des différentes limitations qu'elles montrent, notre contribution réside dans la conception et l'évaluation de nouvelles analyses qui remédient au manque de précision des techniques publiées et implémentées. Nous nous sommes principalement attachés à améliorer l'analyse de pointeurs appartenant à une même structure de données, afin de lever une des limitations majeures des compilateurs actuels. Nous développons nos analyses dans le cadre général de l'interprétation abstraite « non dense ». Ce choix est motivé par les aspects de correction et d'efficacité : deux critères requis pour une intégration facile dans un compilateur. La première analyse que nous concevons est basée sur l'analyse d'intervalles des variables entières ; elle utilise le fait que deux pointeurs définis à l'aide d'un même pointeur de base n'aliasent pas si les valeurs possibles des décalages sont disjointes. La seconde analyse que nous développons est inspirée du domaine abstrait des Pentagones ; elle génère des relations d'ordre strict entre des paires de pointeurs comparables. Enfin, nous combinons et enrichissons les deux analyses précédentes dans un cadre plus général. Ces analyses ont été implémentées dans le compilateur LLVM. Nous expérimentons et évaluons leurs performances, et les comparons aux implémentations disponibles selon deux métriques : le nombre de paires de pointeurs pour lesquelles nous inférons le non-aliasing et les optimisations rendues possibles par nos analyses


  • Résumé

    This thesis was motivated by the emergence of massively parallel processing and supercomputingthat tend to make computer programming extremely performing. Speedup, the power consump-tion, and the efficiency of both software and hardware are nowadays the main concerns of theinformation systems community. Handling memory in a correct and efficient way is a step towardless complex and more performing programs and architectures. This thesis falls into this contextand contributes to memory analysis and compilation fields in both theoretical and experimentalaspects.Besides the deep study of the current state-of-the-art of memory analyses and their limitations,our theoretical results stand in designing new algorithms to recover part of the imprecisionthat published techniques still show. Among the present limitations, we focus our research onthe pointer arithmetic to disambiguate pointers within the same data structure. We develop ouranalyses in the abstract interpretation framework. The key idea behind this choice is correctness,and scalability: two requisite criteria for analyses to be embedded to the compiler construction.The first alias analysis we design is based on the range lattice of integer variables. Given a pair ofpointers defined from a common base pointer, they are disjoint if their offsets cannot have valuesthat intersect at runtime. The second pointer analysis we develop is inspired from the Pentagonabstract domain. We conclude that two pointers do not alias whenever we are able to build astrict relation between them, valid at program points where the two variables are simultaneouslyalive. In a third algorithm we design, we combine both the first and second analysis, and enhancethem with a coarse grained but efficient analysis to deal with non related pointers.We implement these analyses on top of the LLVM compiler. We experiment and evaluate theirperformance based on two metrics: the number of disambiguated pairs of pointers compared tocommon analyses of the compiler, and the optimizations further enabled thanks to the extraprecision they introduce


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