[論文レビュー] A Concurrency-Optimal List-Based Set

Aksenov, Vitaly, Vincent Gramoli+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2015

Distributed systems and fault tolerance参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

この論文では、線形化違反を引き起こすスケジュールのみを拒否する価値に配慮した試行ロック同期を用いる、並行性最適なリストベースの集合アルゴリズムであるValue-Based List (VBL) を提案する。次のノードの値をロックを取得する前に検証することで、VBLはより高い並行性を達成し、高負荷の同時アクセス環境下で、Lazy Linked ListおよびHarris-Michaelアルゴリズムを最大1.6倍の速度で上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Designing an efficient concurrent data structure is an important challenge that is not easy to meet. Intuitively, efficiency of an implementation is defined, in the first place, by its ability to process applied operations in parallel, without using unnecessary synchronization. As we show in this paper, even for a data structure as simple as a linked list used to implement the set type, the most efficient algorithms known so far are not concurrency-optimal: they may reject correct concurrent schedules. We propose a new algorithm for the list-based set based on a value-aware try-lock that we show to achieve optimal concurrency: it only rejects concurrent schedules that violate correctness of the implemented set type. We show empirically that reaching optimality does not induce a significant overhead. In fact, our implementation of the concurrency-optimal algorithm outperforms both the Lazy Linked List and the Harris-Michael state-of-the-art algorithms.

研究の動機と目的

• 既存のリストベースの集合アルゴリズムに見られる並行性最適性の欠如を是正すること。これは、不必要な理由で正しい同時スケジュールを拒否しているためである。
• すべての正しいインタリーブを受容する、すなわち並行性最適な、性能を犠牲にしない並行データ構造を設計すること。
• 並行性最適性を達成することで、顕著なオーバーヘッドが生じるか、あるいは高負荷下でのスケーラビリティが向上するかを評価すること。
• 価値に配慮した同期が、リストベースの集合における並行性と性能の両方を向上させられることを示すこと。

提案手法

• 価値に配慮した試行ロックメカニズムを導入：まずロックを取得し、その後で次のノードの値が変更されていないかを検証する。
• Lazy Linked Listのwait-free走査とHarris-Michaelの論理的削除モデルを組み合わせ、メタデータと構造的更新を分離する。
• ロック取得の前に値検証を実施することで、データの変更が行われない場合のメタデータへの不要な競合を低減する。
• ロック取得にはcompare-and-swap (CAS) を使用し、検証中に値が変更された場合は操作を再試行することで一貫性を保証する。
• Javaのガベージコレクタを用いてメモリの再利用を実現し、メタデータ（例：削除マーク、バージョン）と構造的データを分離することで、誤った共有（false sharing）を低減し、性能を向上させる。
• 形式的にVBLが、線形化を破るスケジュールのみを拒否することを証明し、並行性最適性を達成していることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正しい同時スケジュールをすべて受容する、並行性最適なリストベースの集合を設計できるか？
• RQ2 並行性最適性を達成することは、既存の高性能アルゴリズムと比較して顕著な性能オーバーヘッドを引き起こすか？
• RQ3 価値に配慮した同期は、並行リンクリストにおける並行性とスループットの両方を向上させられるか？
• RQ4 VBLは、Lazy Linked ListおよびHarris-Michaelアルゴリズムと比較して、高負荷環境下でどのように動作するか？

主な発見

• VBLは、線形化を破るスケジュールのみを拒否することで並行性最適性を達成し、これまでに開発された中で最も並行性の高いリストベースの集合アルゴリズムである。
• 72コアのIntelマシン上では、72スレッドで20％の更新ワークロードを実行した場合、VBLはLazy Linked Listを最大1.6倍の速度で上回る。
• 読み取り専用ワークロードでは、VBLはHarris-Michaelアルゴリズムを最大1.6倍の速度で上回り、走査中のメタデータアクセスが減少しているためである。
• Lazy Linked Listでは40スレッドを超えると性能低下が見られたが、VBLではその問題が緩和され、高負荷下でのスケーラビリティが向上していることが示された。
• 実験的評価により、最適な並行性が顕著なオーバーヘッドをもたらさず、VBLは高負荷環境下でも高いスループットを維持していることが確認された。