Jaroslav Ševčík, Suresh Jagannathan, Francesco Zappa Nardelli, Peter Sewell, Viktor Vafeiadis, Microsoft Corporation [Redmond], Microsoft Corporation [Redmond, Wash.], Max Planck Institute for Software Systems (MPI-SWS), Parallélisme de Kahn Synchrone (Parkas ), Département d'informatique - ENS Paris (DI-ENS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Inria Paris-Rocquencourt, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Purdue University [West Lafayette], University of Cambridge [UK] (CAM), École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Paris-Rocquencourt, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Paris-Rocquencourt, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Département d'informatique de l'École normale supérieure (DI-ENS), École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), and Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
In this article, we consider the semantic design and verified compilation of a C-like programming language for concurrent shared-memory computation on x86 multiprocessors. The design of such a language is made surprisingly subtle by several factors: the relaxed-memory behavior of the hardware, the effects of compiler optimization on concurrent code, the need to support high-performance concurrent algorithms, and the desire for a reasonably simple programming model. In turn, this complexity makes verified compilation both essential and challenging. We describe ClightTSO, a concurrent extension of CompCert’s Clight in which the TSO-based memory model of x86 multiprocessors is exposed for high-performance code, and CompCertTSO, a formally verified compiler from ClightTSO to x86 assembly language, building on CompCert. CompCertTSO is verified in Coq: for any well-behaved and successfully compiled ClightTSO source program, any permitted observable behavior of the generated assembly code (if it does not run out of memory) is also possible in the source semantics. We also describe some verified fence-elimination optimizations, integrated into CompCertTSO.