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M-RSF:面向Unikernel的一种多级反馈队列任务调度机制

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通信学报 2024年第5期45卷 54-69页

作者：董博南杨秋松李明树中国科学院大学北京100049 中国科学院软件研究所基础软件国家工程研究中心北京100190

Unikernel作为云计算领域的前沿技术,具有启动速度快和资源占用少的特点。但是,在云环境大规模任务调度场景下,目前Unikernel缺少根据其任务特点所定制的调度机制,这阻碍了Unikernel进一步发挥其性能优势。针对此问题,首先总结了Uniker... 详细信息

Unikernel作为云计算领域的前沿技术,具有启动速度快和资源占用少的特点。但是,在云环境大规模任务调度场景下,目前Unikernel缺少根据其任务特点所定制的调度机制,这阻碍了Unikernel进一步发挥其性能优势。针对此问题,首先总结了Unikernel的任务特点。在此基础上,提出了一种新的面向Unikernel的多级反馈队列调度机制M-RSF及其数学模型,在不影响Unikernel结构特点的前提下,能够更有效地对云环境下Unikernel的任务进行调度。同时,基于对任务特性的深入分析,提出了一种新的负载模型,该负载模型不仅可以准确刻画Unikernel的任务特点,还可以为M-RSF中调度策略的参数设置较合理的取值。最后,对M-RSF调度机制在OSvUnikernel上进行了实现和验证,实验结果表明,M-RSF可以有效减少OSvUnikernel在大规模任务调度时的平均等待时间和平均周转时间,相比于未经改动的OSv Unikernel,平均等待时间和平均周转时间减少达15%以上。

关键词：云计算 Unikernel 调度机制负载模型

HiLog:OpenHarmony的高性能日志系统

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软件学报 2024年第4期35卷 2055-2075页

作者：吴圣垚王枫武延军凌祥屈晟罗天悦吴敬征中国科学院软件研究所智能软件研究中心北京100190 计算机科学国家重点实验室(中国科学院软件研究所) 北京100190

日志是计算机系统中记录事件状态信息的的重要载体,日志系统负责计算机系统的日志生成、收集和输出.OpenHarmony是新兴的、面向全设备、全场景的开源操作系统.在所述工作之前,包括日志系统在内OpenHarmony有许多关键子系统尚未构建,而Op... 详细信息

日志是计算机系统中记录事件状态信息的的重要载体,日志系统负责计算机系统的日志生成、收集和输出.OpenHarmony是新兴的、面向全设备、全场景的开源操作系统.在所述工作之前,包括日志系统在内OpenHarmony有许多关键子系统尚未构建,而OpenHarmony的开源特性使第三方开发者可以为其贡献核心代码.为了解决Open Harmony日志系统缺乏的问题,主要开展如下工作:(1)分析当今主流日志系统的技术架构和优缺点;(2)基于OpenHarmony操作系统的异构设备互联特性设计HiLog日志系统模型规范;(3)设计并实现第1个面向OpenHarmony的日志系统HiLog,并贡献到OpenHarmony主线;(4)对HiLog日志系统的关键指标进行测试和对比试验.实验数据表明,在基础性能方面,HiLog和Log的日志写入阶段吞吐量分别为1500 KB/s和700 KB/s,相比Android日志系统吞吐量提升114%;在日志持久化方面,HiLog可以3.5%的压缩率进行持久化,并且丢包率小于6‰,远低于Log.此外,HiLog还具备数据安全、流量控制等新型实用能力.

关键词：操作系统日志系统开源软件数据安全流量控制

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异常信息敏感的框架API生命周期模型构造

计算机学报 2024年第9期47卷 1989-2008页

作者：燕季薇黄进豪杨恒钦严俊中国科学院软件研究所软件工程技术研究开发中心北京100190 北京工业大学信息学部北京100124 国科大杭州高等研究院杭州310024 中国科学院软件研究所基础软件与系统重点实验室北京100190 中国科学院软件研究所计算机科学国家重点实验室北京100190

大型软件系统的实现依赖于底层框架或第三方库,但这些复杂的框架/库代码在演化升级时往往独立于其调用者,为上层软件的质量保障带来挑战.例如,框架/库代码演化时新增和删除API、更改API的代码语义等行为会导致框架/库代码的不同版本之... 详细信息

大型软件系统的实现依赖于底层框架或第三方库,但这些复杂的框架/库代码在演化升级时往往独立于其调用者,为上层软件的质量保障带来挑战.例如,框架/库代码演化时新增和删除API、更改API的代码语义等行为会导致框架/库代码的不同版本之间不兼容,进而在上层应用开发者更新版本时,影响应用代码的正确性.为应对这一问题,需精准提取框架/库代码API的演化过程,形成演化报告,协助上层应用开发者选择兼容的版本或快速进行代码适配.其中,框架/库代码API的演化过程分析对应着框架API生命周期模型构造.现有工作中的API生命周期模型主要关注API的存在性变动,而未考虑特定代码语义变更对开发者的影响,特别是异常相关代码带来的语义变更,给上层软件系统带来隐患.为此,本文采用面向Java字节码的静态分析方法,识别框架API中的异常抛出行为并为其生成异常摘要报告,通过多轮流式匹配策略获取异常信息的变更情况,最终为框架/库代码构造异常信息敏感的API生命周期模型.该方法:(1)通过控制依赖语句切片提取异常抛出语句的关键触发条件,采用参数推断策略将局部变量的约束条件转换为仅与外部输入参数相关的异常前断言,并基于自底向上的摘要传递实现跨过程异常摘要提取;(2)通过关键信息精准匹配和自适应模糊匹配策略,分析异常摘要信息的新增、删除和修改情况,最终得到异常敏感的API生命周期模型(共涉及七种API变更形式).基于该方法,实现了基于Java字节码分析的API生命周期提取工具JavaExP.与现有最新方法相比,JavaExP的异常摘要信息提取准确性(F1值)提高了67%,分析用时减少了87%.对真实项目的API生命周期演化分析表明,与异常不敏感的API生命周期模型相比,采用异常敏感的模型时,API发生变动的比例提高了18%.在75,433个被分析的API中,约有20%API的异常抛出行为至少发生过一次改变,这些API共涉及超过七千多处独立的异常变更.在多个项目上的分析结果表明,异常敏感的模型构造能够更加精准地描述API的演化过程.

关键词：静态分析代码演化 Java异常摘要 API生命周期

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基于性能建模的深度学习训练任务调度综述

软件学报 2024年

作者：杨紫超吴恒吴悦文张文博中国科学院大学中国科学院软件研究所软件工程技术研究开发中心中国科学院大学南京学院中科南京软件技术研究院

近年来,深度学习研究成果在全球范围内得到广泛应用.为了提高大规模深度学习模型的训练效率,业界通常采用建设GPU集群并配置高效的任务调度器的策略.然而,深度学习训练任务具有性能异构性和放置拓扑敏感性等复杂性能特性.对性能无感知... 详细信息

近年来,深度学习研究成果在全球范围内得到广泛应用.为了提高大规模深度学习模型的训练效率,业界通常采用建设GPU集群并配置高效的任务调度器的策略.然而,深度学习训练任务具有性能异构性和放置拓扑敏感性等复杂性能特性.对性能无感知的调度容易导致资源利用率低下、训练效率差等问题.为了应对这一挑战,近期涌现出大量基于性能建模的深度学习训练任务调度器.这些调度器通过构建精确的性能模型,深入了解任务的复杂性能特性,并据此设计更优化的调度算法,从而形成更高效的调度方案.本文首先基于建模设计思路,对目前调度器使用的性能建模方法进行分类综述.随后,根据调度器利用性能建模的调度优化途径,对现有的任务调度工作进行了系统性的分析.最后,对性能建模与调度在未来的研究方向进行了展望.

关键词：深度学习训练性能建模任务调度

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新疆大气颗粒物污染时空演变及沙尘组分研究

中国环境科学 2024年第6期44卷 3012-3020页

作者：薛一波张小啸雷加强李生宇中国科学院新疆生态与地理研究所国家荒漠-绿洲生态建设工程技术研究中心新疆乌鲁木齐830011 中国科学院大学北京100049

利用2020~2022年新疆环境监测和同期气象要素数据,结合HYSPLIT模式与PM_(2.5)/PM_(10)比值模型,探讨新疆颗粒物浓度的时空变化特征,并研究沙尘暴的主要输送路径、潜在源区及其对大气颗粒物浓度的贡献率.结果表明,新疆月均PM_(2.5)和PM_(... 详细信息

利用2020~2022年新疆环境监测和同期气象要素数据,结合HYSPLIT模式与PM_(2.5)/PM_(10)比值模型,探讨新疆颗粒物浓度的时空变化特征,并研究沙尘暴的主要输送路径、潜在源区及其对大气颗粒物浓度的贡献率.结果表明,新疆月均PM_(2.5)和PM_(10)浓度变化呈波浪型分布,峰值出现在12~次年3月,最低值出现在6~8月;空间分布呈南高北低的特征,南疆年均PM_(2.5)和PM_(10)浓度分别为42~111,151~367μg/m^(3),北疆和东疆PM_(2.5)和PM_(10)浓度年均值相对较低,分别为10~62,21~110μg/m^(3)和28~50,100~145μg/m^(3);新疆69%的城市年均PM_(2.5)和PM_(10)浓度高于国家环境空气质量标准的二级浓度限值;大气PM_(2.5)和PM_(10)浓度呈显著正相关(R^(2)=0.84),春夏秋三季以PM_(10)污染为主,冬季以PM_(2.5)污染为主;PM_(10)是影响新疆空气质量的主要污染物,南疆AQI中PM_(10)贡献率为65%~96%,其次是东疆和北疆,分别为58%~65%和3%~41%;大气PM_(10)严重污染主要发生在春季,由PM_(10)造成南疆空气质量污染比重均在50%以上;塔克拉玛干沙漠是新疆沙尘暴灾害的主要沙源地;沙尘的高低空输送路径明显不同,高空传输主要源于沙漠腹地,而低空输沙源以沙漠东部为主;风蚀沙尘对大气PM_(10)和PM_(2.5)浓度的贡献率分别为85%和66%.

关键词：新疆 PM_(2.5) PM_(10) 时空变化沙尘组分空气质量数值模型

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服务器无感知计算系统性能优化技术研究综述

软件学报 2024年

作者：杨光刘杰曲慕子王帅叶丹钟华中国科学院大学中国科学院软件研究所软件工程技术研究开发中心计算机科学国家重点实验室(中国科学院软件研究所)

服务器无感知计算是新兴的云计算模式,它基于“函数即服务(FaaS)”的范式,以函数为部署和调度的基本单位,为用户提供大规模并行和自动伸缩的函数执行服务,且无需用户管理底层资源.对于用户,服务器无感知计算能够帮助他们摆脱集群底层基... 详细信息

服务器无感知计算是新兴的云计算模式,它基于“函数即服务(FaaS)”的范式,以函数为部署和调度的基本单位,为用户提供大规模并行和自动伸缩的函数执行服务,且无需用户管理底层资源.对于用户,服务器无感知计算能够帮助他们摆脱集群底层基础设施管理的负担,专注于业务层的开发和创新;对于服务提供商,服务器无感知计算将应用分解为细粒度的函数,极大地提高了调度效率和资源利用率.显著的优势让服务器无感知计算迅速吸引了业界的注意,然而,服务器无感知计算与传统云计算迥然不同的计算模式以及对任务各方面的严格限制给应用的迁移带来了诸多障碍,各种越来越复杂的任务也对服务器无感知计算的性能提出了越来越高的要求,服务器无感知计算的性能优化成为一个重要的研究课题.从4个方面对服务器无感知计算系统性能优化技术的相关研究工作进行梳理和综述,并介绍现有的系统实现.(1)介绍面向典型任务的优化技术,包括任务适配和针对特定任务的系统优化;(2)综述沙箱环境的优化工作,包括沙箱方案和冷启动优化技术,它们是决定函数运行速度的核心;(3)概括I/O和通信技术的优化,它们是服务器无感知计算应用程序的主要性能瓶颈;(4)简述相关的资源调度技术,包括面向平台和面向用户的调度策略,它们决定着系统的资源利用率和任务的执行效率.最后,总结当前服务器无感知计算性能优化技术所面临的问题和挑战,并展望未来可能的发展方向.

关键词：服务器无感知计算函数即服务云函数云计算性能优化

国产SW26010-Pro处理器上3级BLAS函数众核并行优化

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软件学报 2024年第3期35卷 1569-1584页

作者：胡怡陈道琨杨超马文静刘芳芳宋超博孙强史俊达中国科学院软件研究所并行软件与计算科学实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 北京大学数学科学学院北京100871 国家并行计算机工程技术研究中心北京100190

BLAS(basic linear algebra subprograms)是最基本、最重要的底层数学库之一.在一个标准的BLAS库中,BLAS 3级函数涵盖的矩阵-矩阵运算尤为重要,在许多大规模科学与工程计算应用中被广泛调用.另外,BLAS 3级属于计算密集型函数,对充分发... 详细信息

BLAS(basic linear algebra subprograms)是最基本、最重要的底层数学库之一.在一个标准的BLAS库中,BLAS 3级函数涵盖的矩阵-矩阵运算尤为重要,在许多大规模科学与工程计算应用中被广泛调用.另外,BLAS 3级属于计算密集型函数,对充分发挥处理器的计算性能有至关重要的作用.针对国产SW26010-Pro处理器研究BLAS 3级函数的众核并行优化技术.具体而言,根据SW26010-Pro的存储层次结构,设计多级分块算法,挖掘矩阵运算的并行性.在此基础上,基于远程内存访问(remote memory access,RMA)机制设计数据共享策略,提高从核间的数据传输效率.进一步地,采用三缓冲、参数调优等方法对算法进行全面优化,隐藏直接内存访问(direct memory access,DMA)访存开销和RMA通信开销.此外,利用SW26010-Pro的两条硬件流水线和若干向量化计算/访存指令,还对BLAS 3级函数的矩阵-矩阵乘法、矩阵方程组求解、矩阵转置操作等若干运算进行手工汇编优化,提高了函数的浮点计算效率.实验结果显示,所提出的并行优化技术在SW26010-Pro处理器上为BLAS 3级函数带来了明显的性能提升,单核组BLAS 3级函数的浮点计算性能最高可达峰值性能的92%,多核组BLAS 3级函数的浮点计算性能最高可达峰值性能的88%.

关键词： BLAS 3级 SW26010-Pro众核处理器直接内存访问远程内存访问浮点计算效率

基于VR孪生实验的群组疏散时空行为特征分析

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遥感学报 2024年第5期28卷 1314-1329页

作者：黄琳李文航龚建华马浩男胡梦雨中国科学院空天信息创新研究院国家遥感应用工程技术研究中心北京100094 中国科学院大学北京101408

“数字孪生”概念的提出为人群行为研究提供了新思路,本文提出了数字孪生人群行为实验理论框架,从基本理论、基本原则等方面进行总结,包括地理认知理论、相似性理论、尺度理论、复杂性问题理论和地理智能模拟原理,以及实验相似性、协同... 详细信息

“数字孪生”概念的提出为人群行为研究提供了新思路,本文提出了数字孪生人群行为实验理论框架,从基本理论、基本原则等方面进行总结,包括地理认知理论、相似性理论、尺度理论、复杂性问题理论和地理智能模拟原理,以及实验相似性、协同和异构、规范化和标准化原则,并进一步提出数字孪生人群疏散实验研究内容及分类。根据该理论框架开展基于VR的群组疏散孪生实验,并根据实验数据定性和定量分析群组空间结构特征和疏散行为特征。结果表明,群组成员在孪生疏散过程中呈现出V型和“side by side”结构,在扶梯这类特殊区域中群组的空间结构有较大的变动,疏散个体面向方向与其他群组成员间的夹角小于60°,并且群组成员间的较小间距和信息扩散交互可以大大提高疏散效率。此外,分析孪生场景中的疏散轨迹和眼动轨迹得出疏散人群在柱子、出口、换乘通道等位置与环境交互较多,表明疏散人群在这些位置期望得到环境信息的需求较大。本文的孪生实验结果能够发现地铁站内的疏散瓶颈区域和群组行为规律,为地铁站内的布局规划和应急预案提供优化建议。

关键词：遥感数字孪生人群行为实验地铁疏散群组交互行为

酸性矿山排水泄漏对荒漠草原土壤剖面细菌群落的影响

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环境科学 2024年第8期45卷 4883-4893页

作者：施建飞钱文婷靳正忠王鑫周智彬中国科学院新疆生态与地理研究所乌鲁木齐830011 中国科学院大学北京100049 国家荒漠绿洲生态建设工程技术研究中心乌鲁木齐830011 中国科学院新疆生态与地理研究所公共技术服务中心乌鲁木齐830011

酸性矿山排水(AMD)因其安全隐患和环境风险而备受关注.然而,人们对于AMD泄漏对生态环境脆弱的荒漠草原土壤理化性质和细菌群落的影响知之甚少,尤其在土壤剖面上.因此,分别以AMD污染剖面和清洁剖面为研究对象,探究AMD对荒漠草原不同深度... 详细信息

酸性矿山排水(AMD)因其安全隐患和环境风险而备受关注.然而,人们对于AMD泄漏对生态环境脆弱的荒漠草原土壤理化性质和细菌群落的影响知之甚少,尤其在土壤剖面上.因此,分别以AMD污染剖面和清洁剖面为研究对象,探究AMD对荒漠草原不同深度土层土壤理化性质和细菌群落组成、结构和相互作用的影响,并在此基础上分析细菌群落变化的驱动因素.结果表明,AMD会显著降低剖面上层(0~40 cm)土壤的pH值,并提高电导率(EC)和重金属含量;AMD污染剖面细菌以变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacterota)为主,而在清洁剖面细菌以厚壁菌门(Firmicutes)和类杆菌门(Bacteroidota)为主,其中Thermithiobacillus和Alloprevotella分别是污染剖面和清洁剖面的生物标识;AMD污染会显著降低剖面上层土壤的细菌多样性,并显著改变细菌群落结构.冗余分析结果表明,土壤理化性质解释了细菌群落变化57.21%的变异,其中EC、TP、TN、As、Zn和Pb是细菌群落变化的主要驱动因素.网络分析表明,AMD污染增加了剖面的复杂性、模块性和群落内部的竞争,从而提高细菌群落的稳定和适应性.总之,研究提供了AMD污染对荒漠草原土壤理化性质和细菌群落影响的有用信息,这可能有助于提高极端生境下AMD污染对土壤生态环境危害的认识.

关键词：酸性矿山排水(AMD) 荒漠草原铜镍矿尾矿库细菌群落共现性网络