Elastic phone: towards detecting and mitigating computation and energy inefficiencies in mobile apps

Mobile devices have become ubiquitous and their ever evolving capabilities are bringing them closer to personal computers. Nonetheless, due to their mobility and small size factor constraints, they still present many hardware and software challenges. Their limited battery life time has led to the design of mobile networks that are inherently different from previous networks (e.g., wifi) and more restrictive task scheduling. Additionally, mobile device ecosystems are more susceptible to the heterogeneity of hardware and from conflicting interests of distributors, internet service providers, manufacturers, developers, etc. The high number of stakeholders ultimately responsible for the performance of a device, results in an inconsistent behavior and makes it very challenging to build a solution that improves resource usage in most cases. The focus of this thesis is on the study and development of techniques to detect and mitigate computation and energy inefficiencies in mobile apps. It follows a bottom-up approach, starting from the challenges behind detecting inefficient execution scheduling by looking only at apps’ implementations. It shows that scheduling APIs are largely misused and have a great impact on devices wake up frequency and on the efficiency of existing energy saving techniques (e.g., batching scheduled executions). Then it addresses many challenges of app testing in the dynamic analysis field. More specifically, how to scale mobile app testing with realistic user input and how to analyze closed source apps’ code at runtime, showing that introducing humans in the app testing loop improves the coverage of app’s code and generated network volume. Finally, using the combined knowledge of static and dynamic analysis, it focuses on the challenges of identifying the resource hungry sections of apps and how to improve their execution via offloading. There is a special focus on performing non-intrusive offloading transparent to existing apps and on in-network computation offloading and distribution. It shows that, even without a custom OS or app modifications, in-network offloading is still possible, greatly improving execution times, energy consumption and reducing both end-user experienced latency and request drop rates. It concludes with a real app measurement study, showing that a good portion of the most popular apps’ code can indeed be offloaded and proposes future directions for the app testing and computation offloading fields. Los dispositivos móviles se han tornado omnipresentes y sus capacidades están en constante evolución acercándolos a los computadoras personales. Sin embargo, debido a su movilidad y tamaño reducido, todavía presentan muchos desafíos de hardware y software. Su duración limitada de batería ha llevado al diseño de redes móviles que son inherentemente diferentes de las redes anteriores y una programación de tareas más restrictiva. Además, los ecosistemas de dispositivos móviles son más susceptibles a la heterogeneidad de hardware y los intereses conflictivos de las entidades responsables por el rendimiento final de un dispositivo. El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de técnicas para detectar y mitigar las ineficiencias de computación y energéticas en las aplicaciones móviles. Empieza con los desafíos detrás de la detección de planificación de ejecución ineficientes, mirando sólo la implementación de las aplicaciones. Se muestra que las API de planificación son en gran medida mal utilizadas y tienen un gran impacto en la frecuencia con que los dispositivos despiertan y en la eficiencia de las técnicas de ahorro de energía existentes. A continuación, aborda muchos desafíos de las pruebas de aplicaciones en el campo de análisis dinámica. Más específicamente, cómo escalar las pruebas de aplicaciones móviles con una interacción realista y cómo analizar código de aplicaciones de código cerrado durante la ejecución, mostrando que la introducción de humanos en el bucle de prueba de aplicaciones mejora la cobertura del código y el volumen de comunicación de red generado. Por último, combinando la análisis estática y dinámica, se centra en los desafíos de identificar las secciones de aplicaciones con uso intensivo de recursos y cómo mejorar su ejecución a través de la ejecución remota (i.e.,"offload"). Hay un enfoque especial en el "offload" no intrusivo y transparente a las aplicaciones existentes y en el "offload"y distribución de computación dentro de la red. Demuestra que, incluso sin un sistema operativo personalizado o modificaciones en la aplicación, el "offload" en red sigue siendo posible, mejorando los tiempos de ejecución, el consumo de energía y reduciendo la latencia del usuario final y las tasas de caída de solicitudes de "offload". Concluye con un estudio real de las aplicaciones más populares, mostrando que una buena parte de su código puede de hecho ser ejecutado remotamente y propone direcciones futuras para los campos de "offload" de aplicaciones.