Performance Improvement of Multithreaded Java Applications Execution on Multiprocessor Systems
Authors:   , Guitart Fernández Jordi 
Published: July 2023

El disseny del llenguatge Java, que inclou aspectes importants com són la seva portabilitat i neutralitat envers l'arquitectura, les seves capacitats multithreading, la seva familiaritat (degut a la seva semblança amb C/C++), la seva robustesa, les seves capacitats en seguretat i la seva naturalesa distribuïda, fan que sigui un llenguatge potencialment interessant per ser utilitzat en entorns paral·lels com són els entorns de computació d'altes prestacions (HPC), on les aplicacions poden treure profit del suport que ofereix Java a l'execució multithreaded per realitzar càlculs en paral·lel, o en entorns e-business, on els servidors Java multithreaded (que segueixen l'especificació J2EE) poden treure profit de les capacitats multithreading de Java per atendre de manera concurrent un gran nombre de peticions.<br/><br/>No obstant, l'ús de Java per la programació paral·lela ha d'enfrontar-se a una sèrie de problemes que fàcilment poden neutralitzar el guany obtingut amb l'execució en paral·lel. El primer problema és el gran overhead provocat pel suport de threads de la JVM quan s'utilitzen threads per executar feina de gra fi, quan es crea un gran nombre de threads per suportar l'execució d'una aplicació o quan els threads interaccionen estretament mitjançant mecanismes de sincronització. El segon problema és la degradació en el rendiment produïda quan aquestes aplicacions multithreaded s'executen en sistemes paral·lels multiprogramats. La principal causa d'aquest problemes és la manca de comunicació entre l'entorn d'execució i les aplicacions, la qual pot induir a les aplicacions a fer un ús descoordinat dels recursos disponibles.<br/><br/>Aquesta tesi contribueix amb la definició d'un entorn per analitzar i comprendre el comportament de les aplicacions Java multithreaded. La contribució principal d'aquest entorn és que la informació de tots els nivells involucrats en l'execució (aplicació, servidor d'aplicacions, JVM i sistema operatiu) està correlada. Aquest fet és molt important per entendre com aquest tipus d'aplicacions es comporten quan s'executen en entorns que inclouen servidors i màquines virtuals, donat que l'origen dels problemes de rendiment es pot trobar en qualsevol d'aquests nivells o en la seva interacció.<br/><br/>Addicionalment, i basat en el coneixement adquirit mitjançant l'entorn d'anàlisis proposat, aquesta tesi contribueix amb mecanismes i polítiques de planificació orientats cap a l'execució eficient d'aplicacions Java multithreaded en sistemes multiprocessador considerant les interaccions i la coordinació dels mecanismes i les polítiques de planificació en els diferents nivells involucrats en l'execució. La idea bàsica consisteix en permetre la cooperació entre les aplicacions i l'entorn d'execució en la gestió de recursos establint una comunicació bi-direccional entre les aplicacions i el sistema. Per una banda, les aplicacions demanen a l'entorn d'execució la quantitat de recursos que necessiten. Per altra banda, l'entorn d'execució pot ser inquirit en qualsevol moment per les aplicacions ser informades sobre la seva assignació de recursos. <br/><br/>Aquesta tesi proposa que les aplicacions utilitzin la informació proporcionada per l'entorn d'execució per adaptar el seu comportament a la quantitat de recursos que tenen assignats (aplicacions auto-adaptables). Aquesta adaptació s'assoleix en aquesta tesi per entorns HPC per mitjà de la mal·leabilitat de les aplicacions, i per entorns e-business amb una proposta de control de congestió que fa control d'admissió basat en la diferenciació de connexions SSL per prevenir la degradació del rendiment i mantenir la Qualitat de Servei (QoS).<br/><br/>Els resultats de l'avaluació demostren que subministrar recursos de manera dinàmica a les aplicacions auto-adaptables en funció de la seva demanda millora el rendiment de les aplicacions Java multithreaded tant en entorns HPC com en entorns e-business. Mentre disposar d'aplicacions auto-adaptables evita la degradació del rendiment, el subministrament dinàmic de recursos permet satisfer els requeriments de les aplicacions en funció de la seva demanda i adaptar-se a la variabilitat de les seves necessitats de recursos. D'aquesta manera s'aconsegueix una millor utilització dels recursos donat que els recursos que no utilitza una aplicació determinada poden ser distribuïts entre les altres aplicacions.
The design of the Java language, which includes important aspects such as its portability and architecture neutrality, its multithreading facilities, its familiarity (due to its resemblance with C/C++), its robustness, its security capabilities and its distributed nature, makes it a potentially interesting language to be used in parallel environments such as high performance computing (HPC) environments, where applications can benefit from the Java multithreading support for performing parallel calculations, or e-business environments, where multithreaded Java application servers (i.e. following the J2EE specification) can take profit of Java multithreading facilities to handle concurrently a large number of requests.<br/><br/>However, the use of Java for parallel programming has to face a number of problems that can easily offset the gain due to parallel execution. The first problem is the large overhead incurred by the threading support available in the JVM when threads are used to execute fine-grained work, when a large number of threads are created to support the execution of the application or when threads closely interact through synchronization mechanisms. The second problem is the performance degradation occurred when these multithreaded applications are executed in multiprogrammed parallel systems. The main issue that causes these problems is the lack of communication between the execution environment and the applications, which can cause these applications to make an uncoordinated use of the available resources.<br/><br/>This thesis contributes with the definition of an environment to analyze and understand the behavior of multithreaded Java applications. The main contribution of this environment is that all levels in the execution (application, application server, JVM and operating system) are correlated. This is very important to understand how this kind of applications behaves when executed on environments that include servers and virtual machines, because the origin of performance problems can reside in any of these levels or in their interaction.<br/><br/>In addition, and based on the understanding gathered using the proposed analysis environment, this thesis contributes with scheduling mechanisms and policies oriented towards the efficient execution of multithreaded Java applications on multiprocessor systems considering the interactions and coordination between scheduling mechanisms and policies at the different levels involved in the execution. The basis idea consists of allowing the cooperation between the applications and the execution environment in the resource management by establishing a bi-directional communication path between the applications and the underlying system. On one side, the applications request to the execution environment the amount of resources they need. On the other side, the execution environment can be requested at any time by the applications to inform them about their resource assignments. <br/><br/>This thesis proposes that applications use the information provided by the execution environment to adapt their behavior to the amount of resources allocated to them (self-adaptive applications). This adaptation is accomplished in this thesis for HPC environments through the malleability of the applications, and for e-business environments with an overload control approach that performs admission control based on SSL connections differentiation for preventing throughput degradation and maintaining Quality of Service (QoS).<br/><br/>The evaluation results demonstrate that providing resources dynamically to self-adaptive applications on demand improves the performance of multithreaded Java applications as in HPC environments as in e-business environments. While having self-adaptive applications avoids performance degradation, dynamic provision of resources allows meeting the requirements of the applications on demand and adapting to their changing resource needs. In this way, better resource utilization is achieved because the resources not used by some application may be distributed among other applications.