Supporting real-time parallel task models with work-stealing

Dynamic parallel scheduling using work-stealing has gained popularity in academia and industry for its good performance, ease of implementation and theoretical bounds on space and time. Cores treat their own double-ended queues (deques) as a stack, pushing and popping threads from the bottom, but treat the deque of another randomly selected busy core as a queue, stealing threads only from the top, whenever they are idle. However, this standard approach cannot be directly applied to real-time systems, where the importance of parallelising tasks is increasing due to the limitations of multiprocessor scheduling theory regarding parallelism. Using one deque per core is obviously a source of priority inversion since high priority tasks may eventually be enqueued after lower priority tasks, possibly leading to deadline misses as in this case the lower priority tasks are the candidates when a stealing operation occurs. Our proposal is to replace the single non-priority deque of work-stealing with ordered per-processor priority deques of ready threads. The scheduling algorithm starts with a single deque per-core, but unlike traditional work-stealing, the total number of deques in the system may now exceed the number of processors. Instead of stealing randomly, cores steal from the highest priority deque.

Semi-Partitioned Scheduling of Fork-Join Tasks using Work-Stealing

13th IEEE/IFIP International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing (EUC 2015). 21 to 23, Oct, 2015, Session W1-A: Multiprocessing and Multicore Architectures. Porto, Portugal.

Towards the Combination of Work-Stealing and Semi-Partitioned Scheduling for Parallel Tasks

Paper/Poster presented in Work in Progress Session, 28th GI/ITG International Conference on Architecture of Computing Systems (ARCS 2015). 24 to 26, Mar, 2015. Porto, Portugal.

Towards the Combination of Work-Stealing and Semi-Partitioned Scheduling for Parallel Tasks

Poster presented in Work in Progress Session, 28th GI/ITG International Conference on Architecture of Computing Systems (ARCS 2015). 24 to 26, Mar, 2015. Porto, Portugal.

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.

Real-time scheduling of parallel tasks in the Linux Kernel

This paper proposes a global multiprocessor scheduling algorithm for the Linux kernel that combines the global EDF scheduler with a priority-aware work-stealing load balancing scheme, enabling parallel real-time tasks to be executed on more than one processor at a given time instant. We state that some priority inversion may actually be acceptable, provided it helps reduce contention, communication, synchronisation and coordination between parallel threads, while still guaranteeing the expected system’s predictability. Experimental results demonstrate the low scheduling overhead of the proposed approach comparatively to an existing real-time deadline-oriented scheduling class for the Linux kernel.

Dynamic global scheduling of parallel real-time tasks

High-level parallel languages offer a simple way for application programmers to specify parallelism in a form that easily scales with problem size, leaving the scheduling of the tasks onto processors to be performed at runtime. Therefore, if the underlying system cannot efficiently execute those applications on the available cores, the benefits will be lost. In this paper, we consider how to schedule highly heterogenous parallel applications that require real-time performance guarantees on multicore processors. The paper proposes a novel scheduling approach that combines the global Earliest Deadline First (EDF) scheduler with a priority-aware work-stealing load balancing scheme, which enables parallel realtime tasks to be executed on more than one processor at a given time instant. Experimental results demonstrate the better scalability and lower scheduling overhead of the proposed approach comparatively to an existing real-time deadline-oriented scheduling class for the Linux kernel.

Server-based scheduling of parallel real-time tasks

Multicore platforms have transformed parallelism into a main concern. Parallel programming models are being put forward to provide a better approach for application programmers to expose the opportunities for parallelism by pointing out potentially parallel regions within tasks, leaving the actual and dynamic scheduling of these regions onto processors to be performed at runtime, exploiting the maximum amount of parallelism. It is in this context that this paper proposes a scheduling approach that combines the constant-bandwidth server abstraction with a priority-aware work-stealing load balancing scheme which, while ensuring isolation among tasks, enables parallel tasks to be executed on more than one processor at a given time instant.

Supporting parallelism in server-based multiprocessor systems

Developing an efficient server-based real-time scheduling solution that supports dynamic task-level parallelism is now relevant to even the desktop and embedded domains and no longer only to the high performance computing market niche. This paper proposes a novel approach that combines the constantbandwidth server abstraction with a work-stealing load balancing scheme which, while ensuring isolation among tasks, enables a task to be executed on more than one processor at a given time instant.

Multicore Scheduling of Real-Time Irregular Parallel Algorithms in Linux

Face à estagnação da tecnologia uniprocessador registada na passada década, aos principais fabricantes de microprocessadores encontraram na tecnologia multi-core a resposta `as crescentes necessidades de processamento do mercado. Durante anos, os desenvolvedores de software viram as suas aplicações acompanhar os ganhos de performance conferidos por cada nova geração de processadores sequenciais, mas `a medida que a capacidade de processamento escala em função do número de processadores, a computação sequencial tem de ser decomposta em várias partes concorrentes que possam executar em paralelo, para que possam utilizar as unidades de processamento adicionais e completar mais rapidamente. A programação paralela implica um paradigma completamente distinto da programação sequencial. Ao contrário dos computadores sequenciais tipificados no modelo de Von Neumann, a heterogeneidade de arquiteturas paralelas requer modelos de programação paralela que abstraiam os programadores dos detalhes da arquitectura e simplifiquem o desenvolvimento de aplicações concorrentes. Os modelos de programação paralela mais populares incitam os programadores a identificar instruções concorrentes na sua lógica de programação, e a especificá-las sob a forma de tarefas que possam ser atribuídas a processadores distintos para executarem em simultâneo. Estas tarefas são tipicamente lançadas durante a execução, e atribuídas aos processadores pelo motor de execução subjacente. Como os requisitos de processamento costumam ser variáveis, e não são conhecidos a priori, o mapeamento de tarefas para processadores tem de ser determinado dinamicamente, em resposta a alterações imprevisíveis dos requisitos de execução. `A medida que o volume da computação cresce, torna-se cada vez menos viável garantir as suas restrições temporais em plataformas uniprocessador. Enquanto os sistemas de tempo real se começam a adaptar ao paradigma de computação paralela, há uma crescente aposta em integrar execuções de tempo real com aplicações interativas no mesmo hardware, num mundo em que a tecnologia se torna cada vez mais pequena, leve, ubíqua, e portável. Esta integração requer soluções de escalonamento que simultaneamente garantam os requisitos temporais das tarefas de tempo real e mantenham um nível aceitável de QoS para as restantes execuções. Para tal, torna-se imperativo que as aplicações de tempo real paralelizem, de forma a minimizar os seus tempos de resposta e maximizar a utilização dos recursos de processamento. Isto introduz uma nova dimensão ao problema do escalonamento, que tem de responder de forma correcta a novos requisitos de execução imprevisíveis e rapidamente conjeturar o mapeamento de tarefas que melhor beneficie os critérios de performance do sistema. A técnica de escalonamento baseado em servidores permite reservar uma fração da capacidade de processamento para a execução de tarefas de tempo real, e assegurar que os efeitos de latência na sua execução não afectam as reservas estipuladas para outras execuções. No caso de tarefas escalonadas pelo tempo de execução máximo, ou tarefas com tempos de execução variáveis, torna-se provável que a largura de banda estipulada não seja consumida por completo. Para melhorar a utilização do sistema, os algoritmos de partilha de largura de banda (capacity-sharing) doam a capacidade não utilizada para a execução de outras tarefas, mantendo as garantias de isolamento entre servidores. Com eficiência comprovada em termos de espaço, tempo, e comunicação, o mecanismo de work-stealing tem vindo a ganhar popularidade como metodologia para o escalonamento de tarefas com paralelismo dinâmico e irregular. O algoritmo p-CSWS combina escalonamento baseado em servidores com capacity-sharing e work-stealing para cobrir as necessidades de escalonamento dos sistemas abertos de tempo real. Enquanto o escalonamento em servidores permite partilhar os recursos de processamento sem interferências a nível dos atrasos, uma nova política de work-stealing que opera sobre o mecanismo de capacity-sharing aplica uma exploração de paralelismo que melhora os tempos de resposta das aplicações e melhora a utilização do sistema. Esta tese propõe uma implementação do algoritmo p-CSWS para o Linux. Em concordância com a estrutura modular do escalonador do Linux, ´e definida uma nova classe de escalonamento que visa avaliar a aplicabilidade da heurística p-CSWS em circunstâncias reais. Ultrapassados os obstáculos intrínsecos `a programação da kernel do Linux, os extensos testes experimentais provam que o p-CSWS ´e mais do que um conceito teórico atrativo, e que a exploração heurística de paralelismo proposta pelo algoritmo beneficia os tempos de resposta das aplicações de tempo real, bem como a performance e eficiência da plataforma multiprocessador.

On-the-Fly Maintenance of Series-Parallel Relationships in Fork-Join Multithreaded Programs

A key capability of data-race detectors is to determine whether one thread executes logically in parallel with another or whether the threads must operate in series. This paper provides two algorithms, one serial and one parallel, to maintain series-parallel (SP) relationships "on the fly" for fork-join multithreaded programs. The serial SP-order algorithm runs in O(1) amortized time per operation. In contrast, the previously best algorithm requires a time per operation that is proportional to Tarjan’s functional inverse of Ackermann’s function. SP-order employs an order-maintenance data structure that allows us to implement a more efficient "English-Hebrew" labeling scheme than was used in earlier race detectors, which immediately yields an improved determinacy-race detector. In particular, any fork-join program running in T₁ time on a single processor can be checked on the fly for determinacy races in O(T₁) time. Corresponding improved bounds can also be obtained for more sophisticated data-race detectors, for example, those that use locks. By combining SP-order with Feng and Leiserson’s serial SP-bags algorithm, we obtain a parallel SP-maintenance algorithm, called SP-hybrid. Suppose that a fork-join program has n threads, T₁ work, and a critical-path length of T[subscript ∞]. When executed on P processors, we prove that SP-hybrid runs in O((T₁/P + PT[subscript ∞]) lg n) expected time. To understand this bound, consider that the original program obtains linear speed-up over a 1-processor execution when P = O(T₁/T[subscript ∞]). In contrast, SP-hybrid obtains linear speed-up when P = O(√T₁/T[subscript ∞]), but the work is increased by a factor of O(lg n).

Parallelizing irregular and pointer-based computations automatically: perspectives from logic and constraint programming

Irregular computations pose sorne of the most interesting and challenging problems in automatic parallelization. Irregularity appears in certain kinds of numerical problems and is pervasive in symbolic applications. Such computations often use dynamic data structures, which make heavy use of pointers. This complicates all the steps of a parallelizing compiler, from independence detection to task partitioning and placement. Starting in the mid 80s there has been significant progress in the development of parallelizing compilers for logic pro­gramming (and more recently, constraint programming) resulting in quite capable paralle­lizers. The typical applications of these paradigms frequently involve irregular computations, and make heavy use of dynamic data structures with pointers, since logical variables represent in practice a well-behaved form of pointers. This arguably makes the techniques used in these compilers potentially interesting. In this paper, we introduce in a tutoríal way, sorne of the problems faced by parallelizing compilers for logic and constraint programs and provide pointers to sorne of the significant progress made in the area. In particular, this work has resulted in a series of achievements in the areas of inter-procedural pointer aliasing analysis for independence detection, cost models and cost analysis, cactus-stack memory management, techniques for managing speculative and irregular computations through task granularity control and dynamic task allocation such as work-stealing schedulers), etc.

Construction Of A Manual Of Work Processes And Techniques From Centro De Dispensação De Medicamentos De Alto Custo (cedmac), Hospital De Clínicas, Unicamp.

The Centers for High Cost Medication (Centros de Medicação de Alto Custo, CEDMAC), Health Department, São Paulo were instituted by project in partnership with the Clinical Hospital of the Faculty of Medicine, USP, sponsored by the Foundation for Research Support of the State of São Paulo (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, FAPESP) aimed at the formation of a statewide network for comprehensive care of patients referred for use of immunobiological agents in rheumatological diseases. The CEDMAC of Hospital de Clínicas, Universidade Estadual de Campinas (HC-Unicamp), implemented by the Division of Rheumatology, Faculty of Medical Sciences, identified the need for standardization of the multidisciplinary team conducts, in face of the specificity of care conducts, verifying the importance of describing, in manual format, their operational and technical processes. The aim of this study is to present the methodology applied to the elaboration of the CEDMAC/HC-Unicamp Manual as an institutional tool, with the aim of offering the best assistance and administrative quality. In the methodology for preparing the manuals at HC-Unicamp since 2008, the premise was to obtain a document that is participatory, multidisciplinary, focused on work processes integrated with institutional rules, with objective and didactic descriptions, in a standardized format and with electronic dissemination. The CEDMAC/HC-Unicamp Manual was elaborated in 10 months, with involvement of the entire multidisciplinary team, with 19 chapters on work processes and techniques, in addition to those concerning the organizational structure and its annexes. Published in the electronic portal of HC Manuals in July 2012 as an e-Book (ISBN 978-85-63274-17-5), the manual has been a valuable instrument in guiding professionals in healthcare, teaching and research activities.

Possibilidades e limites da avaliação da qualidade de vida : análise dos instrumentos WHOQOL e modelos clássicos de qualidade de vida no trabalho = Possibilities and limits of quality of life assessment : analysis of WHOQOL instruments and quality of work life classical models

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Working at night and work ability among nursing personnel: when precarious employment makes the diVerence

Purpose To test the association between night work and work ability, and verify whether the type of contractual employment has any inXuence over this association. Methods Permanent workers (N = 642) and workers with precarious jobs (temporary contract or outsourced; N = 552) were interviewed and Wlled out questionnaires concerning work hours and work ability index. They were classiWed into: never worked at night, ex-night workers, currently working up to Wve nights, and currently working at least six nights/2-week span. Results After adjusting for socio-demography and work variables, current night work was signiWcantly associated with inadequate WAI (vs. day work with no experience in night work) only for precarious workers (OR 2.00, CI 1.01- 3.95 and OR 1.85, CI 1.09-3.13 for those working up to Wve nights and those working at least six nights in 2 weeks, respectively). Conclusions Unequal opportunities at work and little experience in night work among precarious workers may explain their higher susceptibility to night work