论文摘要：Erlang在众核平台的性能问题研究

随着处理器频率的提升遇到瓶颈，众核（many-core）处理器成为处理器架构的发展方向。为了利用众核处理器上众多独立的处理核心，为众核处理器开发的软件一般具有高度并行化的特点。传统的多线程程序采用共享内存的方式分享程序的状态，需要使用同步机制保证共享资源访问的正确性，而同步机制本质上具有复杂性，因此易出错且可伸缩性差。函数式语言具有不可变变量和没有副作用（或副作用严格可控）等特点，因此成为并行软件开发的一项热门选择。

在函数式语言中，基于虚拟机的动态类型函数式语言具有灵活、跨平台以及开发周期短等重要特点，在工业界有着广泛的应用。然而，动态语言的虚拟机执行效率因为灵活性而损失了性能。另一方面，由于物理限制，目前众核处理器的发展趋势是增加核心的数目和一些支持高并行度的特性（例如硬件线程和向量处理器），但是限制单个核心的纯计算性能。因此本论文主要的研究内容是动态类型函数式语言的虚拟机在众核处理器上运行的性能瓶颈以及如何充分利用众核处理器的硬件特性弥补虚拟机的性能缺陷。

针对上述研究目标，本论文对典型的基于虚拟机的动态类型函数式语言Erlang和一款商用Intel Xeon Phi众核协处理器进行研究和分析，研究成果如下：

  1. 众核处理器常用的形式是安装在宿主机上的协处理器卡，因此，宿主机为了充分利用众核协处理器的计算资源，必须建立和协处理器卡高效通信的通道。本论文提出多核宿主机和众核协处理器之间的基于Erlang分布式机制的高效通信框架。这个通信框架采用SCIF通信库作为底层通信载体，能够平衡宿主机和协处理器之间的性能差异，实现高吞吐量低延迟的通信。实验验证本论文提出的通信框架在满足低延迟通信的同时，通信框架本身对CPU的利用率也保持在较低水平。

  2. 基于虚拟机的语言在执行的时候，虚拟机需要对字节码进行逐条执行。虚拟指令的解释执行比目标平台上的原生指令执行慢数倍。本论文提出基于Icode控制流图的原生代码生成算法，将原Erlang程序中的热点函数转换为适合编译器优化的原生C语言代码。算法输出的C语言代码可以忠实地反映原Erlang函数中的循环意图，可以通过现代C语言编译器生成目标平台上高度优化的原生代码。基于该算法，本论文设计并实现E2C Transformer转换器。实验验证最后得到的原生代码执行效率高于虚拟机解释执行的效率。

  3. 动态类型函数式语言中默认数据结构是为通用性而设计的，因此不能针对应用程序的需求有效地利用内存，会导致浪费内存空间浪费和高速缓存利用率降低等问题。此外，为了实现动态类型，程序在运行时必须进行动态类型检查，造成CPU浪费。针对这一类问题，本论文提出基于成功类型系统的Icode变量类型推导系统，通过类型推导得到的类型信息对Icode控制流图进行化简。此外，在详细类型信息的帮助下，可以针对一些特殊的程序模式做进一步的优化，输出能够被自动并行化和自动向量化的C代码，充分利用众核处理器强大的并行计算和向量处理资源。基于该类型推导系统，本论文设计并实现E2C Typer类型标注器。实验表明该类型推导系统能够正确地推断出原程序的意图，并且能简化控制流图中部分类型检查的分支，输出适合编译器优化的代码。

  4. 提出自动分配计算任务的多核宿主机和众核协处理器的混合式计算系统，实现了原型系统HeteErl，HeteErl支持宿主机将计算进程卸载（offload）至协处理器的模式以及宿主机将特定的计算函数委托至协处理器运行的模式。实验表明，宿主机能充分利用协处理器卡的计算资源，并尽可能地使协处理器卡满载运行，提升了处理计算请求的吞吐量。

尽管本论文的研究是针对Erlang虚拟机和Intel Xeon Phi众核协处理器进行的，但是本论文的研究成果也可以应用于其他类似的基于虚拟机的动态类型语言和采用“宿主机-协处理器”架构的众核计算平台。

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