Energyware engineering: techniques and tools for green software development

Abstract

Energy consumption is nowadays one of the most important concerns worldwide. While hardware is generally seen as the main culprit for a computer’s energy usage, software too has a tremendous impact on the energy spent, as it can cancel the efficiency introduced by the hardware. Green Computing is not a newfield of study, but the focus has been, until recently, on hardware. While there has been advancements in Green Software techniques, there is still not enough support for software developers so they can make their code more energy-aware, with various studies arguing there is both a lack of knowledge and lack of tools for energy-aware development. This thesis intends to tackle these two problems and aims at further pushing forward research on Green Software. This software energy consumption issue is faced as a software engineering question. By using systematic, disciplined, and quantifiable approaches to the development, operation, and maintenance of software we defined several techniques, methodologies, and tools within this document. These focus on providing software developers more knowledge and tools to help with energy-aware software development, or Energyware Engineering. Insights are provided on the energy influence of several stages performed during a software’s development process. We look at the energy efficiency of various popular programming languages, understanding which are the most appropriate if a developer’s concern is energy consumption. A detailed study on the energy profiles of different Java data structures is also presented, alongwith a technique and tool, further providing more knowledge on what energy efficient alternatives a developer has to choose from. To help developers with the lack of tools, we defined and implemented a technique to detect energy inefficient fragments within the source code of a software system. This technique and tool has been shown to help developers improve the energy efficiency of their programs, and even outperforming a runtime profiler. Finally, answers are provided to common questions and misconceptions within this field of research, such as the relationship between time and energy, and howone can improve their software’s energy consumption. This thesis provides a great effort to help support both research and education on this topic, helps continue to grow green software out of its infancy, and contributes to solving the lack of knowledge and tools which exist for Energyware Engineering.

Hoje em dia o consumo energético é uma das maiores preocupações a nível global. Apesar do hardware ser, de umaforma geral, o principal culpado para o consumo de energia num computador, o software tem também um impacto significativo na energia consumida, pois pode anular, em parte, a eficiência introduzida pelo hardware. Embora Green Computing não seja uma área de investigação nova, o foco tem sido, até recentemente, na componente de hardware. Embora as técnicas de Green Software tenham vindo a evoluir, não há ainda suporte suficiente para que os programadores possam produzir código com consciencialização energética. De facto existemvários estudos que defendem que existe tanto uma falta de conhecimento como uma escassez de ferramentas para o desenvolvimento energeticamente consciente. Esta tese pretende abordar estes dois problemas e tem como foco promover avanços em green software. O tópico do consumo de energia é abordado duma perspectiva de engenharia de software. Através do uso de abordagens sistemáticas, disciplinadas e quantificáveis no processo de desenvolvimento, operação e manutencão de software, foi possível a definição de novas metodologias e ferramentas, apresentadas neste documento. Estas ferramentas e metodologias têm como foco dotar de conhecimento e ferramentas os programadores de software, de modo a suportar um desenvolvimento energeticamente consciente, ou Energyware Engineering. Deste trabalho resulta a compreensão sobre a influência energética a ser usada durante as diferentes fases do processo de desenvolvimento de software. Observamos as linguagens de programação mais populares sobre um ponto de vista de eficiência energética, percebendo quais as mais apropriadas caso o programador tenha uma preocupação com o consumo energético. Apresentamos também um estudo detalhado sobre perfis energéticos de diferentes estruturas de dados em Java, acompanhado por técnicas e ferramentas, fornecendo conhecimento relativo a quais as alternativas energeticamente eficientes que os programadores dispõem. Por forma a ajudar os programadores, definimos e implementamos uma técnica para detetar fragmentos energicamente ineficientes dentro do código fonte de um sistema de software. Esta técnica e ferramenta têm demonstrado ajudar programadores a melhorarem a eficiência energética dos seus programas e em algum casos superando um runtime profiler. Por fim, são dadas respostas a questões e conceções erradamente formuladas dentro desta área de investigação, tais como o relacionamento entre tempo e energia e como é possível melhorar o consumo de energia do software. Foi empregue nesta tese um esforço árduo de suporte tanto na investigação como na educação relativo a este tópico, ajudando à maturação e crescimento de green computing, contribuindo para a resolução da lacuna de conhecimento e ferramentas para suporte a Energyware Engineering.