Meta-level-Ansätze und Werkzeuge für komplexe nebenläufige Systeme

In den letzten Jahren sind Multi-Core-Prozessoren zum Standard in Handys, Tablets, Laptops und Servern geworden. Um diese neuen Prozessoren effizient zu nutzen, gibt es diverse Ansätze zur nebenläufigen Programmierung. Besonders in komplexen Softwaresystemen werden diese Ansätze auch immer mehr miteinander kombiniert. Für die Wartbarkeit der Software ergeben sich dadurch jedoch erhebliche Probleme, da Nebenläufigkeit im Gegensatz zur sequentiellen Programmierung Einfluss auf das gesamte System hat und nicht bloß auf einen bestimmten Teil des Systems. Dies erschwert es, komplexe Systeme zu verstehen und darin Fehler zu beheben. Hinzu kommt, dass heutige Debugging-Werkzeuge auf der einfachsten Abstraktionsebene ansetzen und Entwicklern z.B. lediglich Informationen zu Speicherzugriffen bereitstellen, anstatt die verwendeten Nebenläufigkeitskonstrukte auf höherer Ebene darzustellen. Um die Entwicklung komplexer nebenläufiger Systeme zu erleichtern, möchten wir erforschen, wie man von der Vielzahl von Nebenläufigkeitskonstrukten abstrahieren kann. Unser Ziel ist es, einen Abstraktionsmechanismus zu entwickeln, der es Werkzeugen ermöglicht, mit der Vielzahl unterschiedlicher Nebenläufigkeitskonstrukte umzugehen. Neben der eigentlichen Entwicklung dieses Abstraktionsmechanismus wird es eine Herausforderung sein, ihn so umzusetzen, dass er die Ausführung eines Systems nicht verfälscht, damit eventuelle Nebenläufigkeitsprobleme beobachtbar bleiben. Bisher wurde noch zu wenig erforscht, welche Werkzeuge man zur Fehlersuche in Systemen mit unterschiedlichen Nebenläufigkeitskonstrukten braucht und wie man solche Werkzeuge effizient implementiert. Es gibt zwar Ansätze für einige ausgewählte Konstrukte, die aber für heutige komplexe Softwaresysteme nicht ausreichend sind. Um unsere Forschung erfolgreich durchzuführen, kombi- nieren wir das Expertenwissen des Software Languages Lab der Vrije Universi- teit Brussel in Belgien und des Instituts für Systemsoftware an der Johannes Kepler Universität in Linz, Österreich. Wir werden der Frage nachgehen, wie man Nebenläufigkeitskonstrukte durch eine gemeinsame Werkzeug-Meta- Schnittstelle darstellen kann, und wie man diese Werkzeuge so umsetzt, dass sie die Ausführung des beobachteten Programms nicht verfälschen. Dabei bauen wir auf Truffle auf, einer neuartigen Plattform zur effizienten Implementierung von Programmiersprachen. Truffle erlaubt es uns, mit Prototypen zu experimen- tieren, deren Performanz auf dem aktuellen Stand der Java Virtual-Machine- Technologie sind. Einerseits werden wir iterativ Ansätze entwickeln, um die wesentlichen Nebenläufigkeitskonstrukte durch Werkzeuge zu unterstützen, die mit Hilfe einer Meta-Schnittstelle von den spezifischen Konstrukten abstra- hieren. Andererseits werden wir erforschen, wie eine solche Schnittstelle effizient implementiert werden kann, um es Programmierern zu erlauben, komplexe nebenläufige Systeme zu verstehen und dynamische Abläufe mit Hilfe eines sogenannten Time-Travelling-Debuggers nachzuvollziehen.

Moores Gesetz, nachdem sich die Leistung von Prozessoren alle 1,5 Jahre verdoppelt, ist an seine Grenze gekommen. Infolgedessen haben unsere Computer und Smartphones statt einem eher 4 aber immer öfter 8 oder 16 Prozessoren. Um diese Prozessoren zu nutzen, werden Programme parallelisiert, indem Teile auf unterschiedlichen Prozessoren gleichzeitig laufen. Die Parallelisierung bringt aber neue Probleme. Die Wechselwirkung zwischen parallelen Prozessen ist inherent nichtdeterministisch. Fehler treten oft sporadisch auf und sind meist nur schwer reproduzierbar, da sie sich nur bei ganz bestimmten Wechselwirkungen bemerkbar machen. Dazu kommt, dass es unterschiedliche Modelle zur Implementierung von Parallelität gibt, die immer häufiger in ein und demselben Programm kombiniert werden. Das Thema unserer Forschung war daher die Entwicklung einer neuartigen Software-Infrastruktur, mit der parallele Programme zur Laufzeit besser analysiert und sporadisch auftretende Probleme lokalisiert werden können. Die Idee hinter unserem Ansatz ist, das Verhalten der Programme und ihre Wechselwirkungen aufzuzeichnen und diese "Programmspuren" nachträglich zu analysieren. Die Herausforderung dabei war, unterschiedliche Parallelisierungsmodelle unter einen Hut zu bringen, d.h. ein einheitliches Aufzeichnungsverfahren für alle diese Modelle zu finden, das es einerseits erlaubt, parallele Programme so nachzuspielen, dass dieselben Wechselwirkungen wie bei der ursprünglichen Ausführung auftreten, andererseits diese Aufzeichnungen so kompakt und effizient wie möglich zu gestalten, so dass die Ausführung der Programme dadurch so wenig wie möglich gebremst wird. Dieser Record&Replay-Ansatz wurde erfolgreich umgesetzt und in 22 Publikationen in internationalen Fachzeitschriften und Konferenzen veröffentlicht. Die entwickelte Software-Infrastruktur und die darauf basierenden Werkzeuge wurden in einem Open Source Repository zur Verfügung gestellt und dienen nun anderen Forschern als Grundlage für weitere Untersuchungen. Die geforderte Effizienz wurde unter anderem durch neuartige dynamische Optimierungsverfahren erreicht. Um eine kontinuierliche Aufzeichnung lange laufender Programme zu gewährleisten, wurde ein Schnappschuss-Verfahren entwickelt, mit dem der Zustand eines Programms zu gewissen Zeitpunkten erfasst und abgespeichert werden kann, so dass die Analyse bei diesen Schnappschüssen beginnen kann, ohne frühere Programmspuren berücksichtigen zu müssen. Das Projekt war eine Kooperation zwischen der Johannes Kepler Universität Linz und der Freien Universität Brüssel. Während sich die Linzer Gruppe vor allem mit der effizienten Aufzeichnung paralleler Programme und ihrer anschließenden Analyse beschäftigte, forschte die Brüsseler Gruppe vor allem an Parallelisierungsmodellen und Analysewerkzeugen, um zum Beispiel parallele Programme vorwärts und rückwärts wieder abspielen und dabei analysieren zu können.