Advanced Topics in Resource Analysis: Certification, Incrementality, Concurrency and Array-Sensitivity

El Análisis de Consumo de Recursos o Análisis de Coste trata de aproximar el coste de ejecutar un programa como una función dependiente de sus datos de entrada. A pesar de que existen trabajos previos a esta tesis doctoral que desarrollan potentes marcos para el análisis de coste de programas orientados a objetos, algunos aspectos avanzados, como la eficiencia, la precisión y la fiabilidad de los resultados, todavía deben ser estudiados en profundidad. Esta tesis aborda estos aspectos desde cuatro perspectivas diferentes: (1) Las estructuras de datos compartidas en la memoria del programa son una pesadilla para el análisis estático de programas. Trabajos recientes proponen una serie de condiciones de localidad para poder mantener de forma consistente información sobre los atributos de los objetos almacenados en memoria compartida, reemplazando éstos por variables locales no almacenadas en la memoria compartida. En esta tesis presentamos dos extensiones a estos trabajos: la primera es considerar, no sólo los accesos a los atributos, sino también los accesos a los elementos almacenados en arrays; la segunda se centra en los casos en los que las condiciones de localidad no se cumplen de forma incondicional, para lo cual, proponemos una técnica para encontrar las precondiciones necesarias para garantizar la consistencia de la información acerca de los datos almacenados en memoria. (2) El objetivo del análisis incremental es, dado un programa, los resultados de su análisis y una serie de cambios sobre el programa, obtener los nuevos resultados del análisis de la forma más eficiente posible, evitando reanalizar aquellos fragmentos de código que no se hayan visto afectados por los cambios. Los analizadores actuales todavía leen y analizan el programa completo de forma no incremental. Esta tesis presenta un análisis de coste incremental, que, dado un cambio en el programa, reconstruye la información sobre el coste del programa de todos los métodos afectados por el cambio de forma incremental. Para esto, proponemos (i) un algoritmo multi-dominio y de punto fijo que puede ser utilizado en todos los análisis globales necesarios para inferir el coste, y (ii) una novedosa forma de almacenar las expresiones de coste que nos permite reconstruir de forma incremental únicamente las funciones de coste de aquellos componentes afectados por el cambio. (3) Las garantías de coste obtenidas de forma automática por herramientas de análisis estático no son consideradas totalmente fiables salvo que la implementación de la herramienta o los resultados obtenidos sean verificados formalmente. Llevar a cabo el análisis de estas herramientas es una tarea titánica, ya que se trata de herramientas de gran tamaño y complejidad. En esta tesis nos centramos en el desarrollo de un marco formal para la verificación de las garantías de coste obtenidas por los analizadores en lugar de analizar las herramientas. Hemos implementado esta idea mediante la herramienta COSTA, un analizador de coste para programas Java y KeY, una herramienta de verificación de programas Java. De esta forma, COSTA genera las garantías de coste, mientras que KeY prueba la validez formal de los resultados obtenidos, generando de esta forma garantías de coste verificadas. (4) Hoy en día la concurrencia y los programas distribuidos son clave en el desarrollo de software. Los objetos concurrentes son un modelo de concurrencia asentado para el desarrollo de sistemas concurrentes. En este modelo, los objetos son las unidades de concurrencia y se comunican entre ellos mediante llamadas asíncronas a sus métodos. La distribución de las tareas sugiere que el análisis de coste debe inferir el coste de los diferentes componentes distribuidos por separado. En esta tesis proponemos un análisis de coste sensible a objetos que, utilizando los resultados obtenidos mediante un análisis de apunta-a, mantiene el coste de los diferentes componentes de forma independiente. Abstract Resource Analysis (a.k.a. Cost Analysis) tries to approximate the cost of executing programs as functions on their input data sizes and without actually having to execute the programs. While a powerful resource analysis framework on object-oriented programs existed before this thesis, advanced aspects to improve the efficiency, the accuracy and the reliability of the results of the analysis still need to be further investigated. This thesis tackles this need from the following four different perspectives. (1) Shared mutable data structures are the bane of formal reasoning and static analysis. Analyses which keep track of heap-allocated data are referred to as heap-sensitive. Recent work proposes locality conditions for soundly tracking field accesses by means of ghost non-heap allocated variables. In this thesis we present two extensions to this approach: the first extension is to consider arrays accesses (in addition to object fields), while the second extension focuses on handling cases for which the locality conditions cannot be proven unconditionally by finding aliasing preconditions under which tracking such heap locations is feasible. (2) The aim of incremental analysis is, given a program, its analysis results and a series of changes to the program, to obtain the new analysis results as efficiently as possible and, ideally, without having to (re-)analyze fragments of code that are not affected by the changes. During software development, programs are permanently modified but most analyzers still read and analyze the entire program at once in a non-incremental way. This thesis presents an incremental resource usage analysis which, after a change in the program is made, is able to reconstruct the upper-bounds of all affected methods in an incremental way. To this purpose, we propose (i) a multi-domain incremental fixed-point algorithm which can be used by all global analyses required to infer the cost, and (ii) a novel form of cost summaries that allows us to incrementally reconstruct only those components of cost functions affected by the change. (3) Resource guarantees that are automatically inferred by static analysis tools are generally not considered completely trustworthy, unless the tool implementation or the results are formally verified. Performing full-blown verification of such tools is a daunting task, since they are large and complex. In this thesis we focus on the development of a formal framework for the verification of the resource guarantees obtained by the analyzers, instead of verifying the tools. We have implemented this idea using COSTA, a state-of-the-art cost analyzer for Java programs and KeY, a state-of-the-art verification tool for Java source code. COSTA is able to derive upper-bounds of Java programs while KeY proves the validity of these bounds and provides a certificate. The main contribution of our work is to show that the proposed tools cooperation can be used for automatically producing verified resource guarantees. (4) Distribution and concurrency are today mainstream. Concurrent objects form a well established model for distributed concurrent systems. In this model, objects are the concurrency units that communicate via asynchronous method calls. Distribution suggests that analysis must infer the cost of the diverse distributed components separately. In this thesis we propose a novel object-sensitive cost analysis which, by using the results gathered by a points-to analysis, can keep the cost of the diverse distributed components separate.

Low cost 3D global instability analysis and flow sensitivity based on dynamic mode decomposition and high-order numerical tools

We explore the recently developed snapshot-based dynamic mode decomposition (DMD) technique, a matrix-free Arnoldi type method, to predict 3D linear global flow instabilities. We apply the DMD technique to flows confined in an L-shaped cavity and compare the resulting modes to their counterparts issued from classic, matrix forming, linear instability analysis (i.e. BiGlobal approach) and direct numerical simulations. Results show that the DMD technique, which uses snapshots generated by a 3D non-linear incompressible discontinuous Galerkin Navier?Stokes solver, provides very similar results to classical linear instability analysis techniques. In addition, we compare DMD results issued from non-linear and linearised Navier?Stokes solvers, showing that linearisation is not necessary (i.e. base flow not required) to obtain linear modes, as long as the analysis is restricted to the exponential growth regime, that is, flow regime governed by the linearised Navier?Stokes equations, and showing the potential of this type of analysis based on snapshots to general purpose CFD codes, without need of modifications. Finally, this work shows that the DMD technique can provide three-dimensional direct and adjoint modes through snapshots provided by the linearised and adjoint linearised Navier?Stokes equations advanced in time. Subsequently, these modes are used to provide structural sensitivity maps and sensitivity to base flow modification information for 3D flows and complex geometries, at an affordable computational cost. The information provided by the sensitivity study is used to modify the L-shaped geometry and control the most unstable 3D mode.

Predictor paramétrico de glucosa subcutánea

La diabetes mellitus es una enfermedad que se caracteriza por la nula o insuficiente producción de insulina, o la resistencia del organismo a la misma. La insulina es una hormona que ayuda a que la glucosa (por ejemplo la obtenida a partir de los alimentos ingeridos) llegue a los tejidos periféricos y al sistema nervioso para suministrar energía. Hoy en día la tecnología actual permite abordar el desarrollo del llamado “páncreas endocrino artificial”, que consta de un sensor continuo de glucosa subcutánea, una bomba de infusión subcutánea de insulina y un algoritmo de control en lazo cerrado que calcule la dosis de insulina requerida por el paciente en cada momento, según la medida de glucosa obtenida por el sensor y según unos objetivos. El mayor problema que presentan los sistemas de control en lazo cerrado son los retardos, el sensor de glucosa subcutánea mide la glucosa del líquido intersticial, que representa la que hubo en la sangre un tiempo atrás, por tanto, un cambio en los niveles de glucosa en la sangre, debidos por ejemplo, a una ingesta, tardaría un tiempo en ser detectado por el sensor. Además, una dosis de insulina suministrada al paciente, tarda un tiempo aproximado de 20-30 minutos para la llegar a la sangre. Para evitar trabajar en la medida que sea posible con estos retardos, se intenta predecir cuál será el nivel de glucosa en un futuro próximo, para ello se utilizara un predictor de glucosa subcutánea, con la información disponible de glucosa e insulina. El objetivo del proyecto es diseñar una metodología para estimar el valor futuro de los niveles de glucosa obtenida a partir de un sensor subcutáneo, basada en la identificación recursiva del sistema glucorregulatorio a través de modelos lineales y determinando un horizonte de predicción óptimo de trabajo y analizando la influencia de la insulina en los resultados de la predicción. Se ha implementado un predictor paramétrico basado en un modelo autorregresivo ARX que predice con mejor precisión y con menor RMSE que un predictor ZOH a un horizonte de predicción de treinta minutos. Utilizar información relativa a la insulina no tiene efecto en la predicción. El preprocesado, postprocesado y el tratamiento de la estabilidad tienen un efecto muy beneficioso en la predicción. Diabetes mellitusis a group of metabolic diseases in which a person has high blood sugar, either because the body does not produce enough insulin, or because cells do not respond to the insulin produced. The insulin is a hormone that helps the glucose to reach to outlying tissues and the nervous system to supply energy. Nowadays, the actual technology allows raising the development of the “artificial endocrine pancreas”. It involves a continuous glucose sensor, an insulin bump, and a full closed loop algorithm that calculate the insulin units required by patient at any time, according to the glucose measure obtained by the sensor and any target. The main problem of the full closed loop systems is the delays, the glucose sensor measures the glucose in the interstitial fluid that represents the glucose was in the blood some time ago. Because of this, a change in the glucose in blood would take some time to be detected by the sensor. In addition, insulin units administered by a patient take about 20-30 minutes to reach the blood stream. In order to avoid this effect, it will try to predict the glucose level in the near future. To do that, a subcutaneous glucose predictor is used to predict the future glucose with the information about insulin and glucose. The goal of the proyect is to design a method in order to estimate the future valor of glucose obtained by a subcutaneous sensor. It is based on the recursive identification of the regulatory system through the linear models, determining optimal prediction horizon and analyzing the influence of insuline on the prediction results. A parametric predictor based in ARX autoregressive model predicts with better precision and with lesser RMSE than ZOH predictor in a thirty minutes prediction horizon. Using the relative insulin information has no effect in the prediction. The preprocessing, the postprocessing and the stability treatment have many advantages in the prediction.

Discrete linear stability and sensitivity analysis of fluid flows

Este trabajo presenta un método discreto para el cálculo de estabilidad hidrodinámica y análisis de sensibilidad a perturbaciones externas para ecuaciones diferenciales y en particular para las ecuaciones de Navier-Stokes compressible. Se utiliza una aproximación con variable compleja para obtener una precisión analítica en la evaluación de la matriz Jacobiana. Además, mapas de sensibilidad para la sensibilidad a las modificaciones del flujo de base y a una fuerza constante permiten identificar las regiones del campo fluido donde una modificacin (ej. fuerza puntual) tiene un efecto estabilizador del flujo. Se presentan cuatro casos de prueba: (1) un caso analítico para comprobar la derivación discreta, (2) una cavidad cerrada a bajo Reynolds para mostrar la mayor precisión en el cálculo de los valores propios con la aproximación de paso complejo, (3) flujo 2D en un cilindro circular para validar la metodología, y (4) flujo en un cavidad abierta, presentado para validar el método en casos de inestabilidades convectivamente inestables. Los tres últimos casos mencionados (2-4) se resolvieron con las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles, utilizando un método Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Se obtuvo una buena concordancia para el caso de validación (3), cuando se comparó el nuevo método con resultados de la literatura. Además, este trabajo muestra que para el cálculo de los modos propios directos y adjuntos, así como para los mapas de sensibilidad, el uso de variables complejas es de suprema importancia para obtener una predicción precisa. El método descrito es aplicado al análisis para la estabilización de la estela generada por un disco actuador, que representa un modelo sencillo para hélices, rotores de helicópteros o turbinas eólicas. Se explora la primera bifurcación del flujo para un disco actuador, y se sugiere que está asociada a una inestabilidad de tipo Kelvin-Helmholtz, cuya estabilidad se controla con en el número de Reynolds y en la resistencia del disco actuador (o fuerza resistente). En primer lugar, se verifica que la disminución de la resistencia del disco tiene un efecto estabilizador parecido a una disminución del Reynolds. En segundo lugar, el análisis hidrodinmico discreto identifica dos regiones para la colocación de una fuerza puntual que controle las inestabilidades, una cerca del disco y otra en una zona aguas abajo. En tercer lugar, se muestra que la inclusión de un forzamiento localizado cerca del actuador produce una estabilización más eficiente que al forzar aguas abajo. El análisis de los campos de flujo controlados confirma que modificando el gradiente de velocidad cerca del actuador es más eficiente para estabilizar la estela. Estos resultados podrían proporcionar nuevas directrices para la estabilización de la estela de turbinas de viento o de marea cuando estén instaladas en un parque eólico y minimizar las interacciones no estacionarias entre turbinas. ABSTRACT A discrete framework for computing the global stability and sensitivity analysis to external perturbations for any set of partial differential equations is presented. In particular, a complex-step approximation is used to achieve near analytical accuracy for the evaluation of the Jacobian matrix. Sensitivity maps for the sensitivity to base flow modifications and to a steady force are computed to identify regions of the flow field where an input could have a stabilising effect. Four test cases are presented: (1) an analytical test case to prove the theory of the discrete framework, (2) a lid-driven cavity at low Reynolds case to show the improved accuracy in the calculation of the eigenvalues when using the complex-step approximation, (3) the 2D flow past a circular cylinder at just below the critical Reynolds number is used to validate the methodology, and finally, (4) the flow past an open cavity is presented to give an example of the discrete method applied to a convectively unstable case. The latter three (2–4) of the aforementioned cases were solved with the 2D compressible Navier–Stokes equations using a Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Good agreement was obtained for the validation test case, (3), with appropriate results in the literature. Furthermore, it is shown that for the calculation of the direct and adjoint eigenmodes and their sensitivity maps to external perturbations, the use of complex variables is paramount for obtaining an accurate prediction. An analysis for stabilising the wake past an actuator disc, which represents a simple model for propellers, helicopter rotors or wind turbines is also presented. We explore the first flow bifurcation for an actuator disc and it suggests that it is associated to a Kelvin- Helmholtz type instability whose stability relies on the Reynolds number and the flow resistance applied through the disc (or actuator forcing). First, we report that decreasing the disc resistance has a similar stabilising effect to an decrease in the Reynolds number. Second, a discrete sensitivity analysis identifies two regions for suitable placement of flow control forcing, one close to the disc and one far downstream where the instability originates. Third, we show that adding a localised forcing close to the actuator provides more stabilisation that forcing far downstream. The analysis of the controlled flow fields, confirms that modifying the velocity gradient close to the actuator is more efficient to stabilise the wake than controlling the sheared flow far downstream. An interesting application of these results is to provide guidelines for stabilising the wake of wind or tidal turbines when placed in an energy farm to minimise unsteady interactions.