Ruddy: A performance-optimized BDD library in Rust

Bc. Lukáš Urban

Diplomová práce

Anotace:

Binárne rozhodovacie diagramy (BDD) sú základnou dátovou štruktúrou v informatike, ktorá ponúka kompaktnú reprezentáciu Booleovských funkcií vo forme orientovaných acyklických grafov. Efektívnosť ich implementácie je kľúčová pre mnohé aplikácie, ako sú formálna verifikácia a návrh hardvéru. To následne podnietilo záujem o vývoj výkonnejších BDD knižníc. BDD algoritmy zvyčajne využívajú unikátnu tabuľku, ktorá zabezpečuje, že sa nevytvárajú duplicitné uzly, a memoizačnú tabuľku, aby sa predišlo opakovanému počítaniu podproblémov. Tradičná implementácia týchto štruktúr pomocou hašovacích tabuliek často vedie k zhoršeniu vo výkone spôsobenému latenciou náhodného prístupu do pamäte, najmä v prípade veľkých inštancií. Nedávna publikácia navrhla verziu unikátnej tabuľky, ktorá lepšie využíva rýchlu vyrovnávaciu pamäť procesora, a zároveň predstavila metódu na zníženie počtu uložených položiek v memoizačnej tabuľke. Táto diplomová práca prezentuje Ruddy, BDD knižnicu napísanú v jazyku Rust, ktorá je výsledkom začlenenia uvedených techník spolu s kompresiou ukazovateľov – metódou automatického prispôsobenia bitovej šírky ukazovateľov s cieľom optimalizácie využitia pamäte. Výsledky porovnávacích testov ukazujú, že Ruddy prekonáva známe BDD knižnice CUDD a Sylvan, ako aj nedávnu knižnicu OxiDD, vo väčšine inštancií.

Abstract:

Binary decision diagrams (BDDs) are a fundamental data structure in computer science, offering a compact representation of Boolean functions as directed acyclic graphs. The efficiency of their implementation is crucial for many applications, such as formal verification and hardware design. Consequently, there has been an interest in developing more performant BDD packages. BDD algorithms typically rely on a unique table to ensure that no duplicate nodes are created and a computed cache to avoid recomputing subproblems. The traditional implementation of these structures as hash tables often leads to performance bottlenecks from random memory access latency, particularly for large instances. A recent paper designed a more CPU cache-friendly version of the unique table and proposed a method for reducing the number of stored entries in the computed cache. Incorporating these techniques, along with pointer compression, a method for automatic adjustment of pointer bit-widths to optimize memory use, this thesis presents Ruddy, a BDD library written in Rust. Benchmarking results demonstrate that Ruddy outperforms widely-used BDD libraries CUDD and Sylvan, as well as the recent library OxiDD, in a majority of benchmark instances.

Keywords

binary decision diagram, BDD, Boolean function, hash table, cache, CPU-cache, Rust

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 21. 5. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 19. 6. 2025
• Vedoucí: RNDr. Samuel Pastva, Ph.D.
• Oponent: RNDr. Nikola Beneš, Ph.D.

Masarykova univerzita

Fakulta informatiky

Magisterský studijní program / obor:
Teoretická informatika / Diskrétní algoritmy a modely