[論文レビュー] Efficient Single Writer Concurrency.

Naama Ben-David, Guy E. Blelloch+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 43被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、マルチバージョン並行制御に基づくロックフリーで単一ライタの並行制御フレームワークを提示している。このフレームワークは、厳密な可串実行性、アボートなし、上限付きステップ複雑性を伴うウェイトフリーネス、正確なガベージコレクションを保証する。純粋関数型アクセスパターンを強制し、効率的なバージョン管理を実施することで、ライタのオーバーヘッドを低く抑え、検索インデックスやHTAPデータベースのようなシステムにおけるリーダーへの段階的バージョン伝搬を実現する。

ABSTRACT

In this paper we consider single writer multiple reader concurrency - any number of transactions can atomically access shared data structures, but only one thread can atomically update the data. Limiting ourselves to a single writer allows us to achieve strong properties, some of which are not achievable with multiple writers. In particular, we guarantee strict serializability, no aborts, wait-freedom with strong bounds on step complexity, and precise garbage collection. Our approach is based on a variant of multiversion concurrency control. The user code accesses shared data in a purely functional manner. This allows each read to get a snapshot of the current database. The writer simply swaps in a new root to commit a new version. For garbage collection, we define the version maintenance problem and present efficient algorithms that solve it. This framework allows for very low overhead for maintaining and collecting multiple versions. The single-writer setup is particularly applicable to search indices, online graph analysis, and hybrid transactional/analytical processing (HTAP) databases, in which the bulk of the work is done by transactions that analyze the data. We have implemented the approach in C++ based on a parallel library PAM on balanced binary trees. We present results for two use cases: concurrent range-sum queries and a search index on a corpus. Both support adding new elements to the database. Experiments show that in both cases there is very little overhead when adding a single writer running in the background, while the queries can gradually get newly updated versions. Also, using our lock-free algorithm for version maintenance, the maximum live versions is bounded by the number of working transactions at the same time.

研究の動機と目的

• 単一ライタ・マルチリーダー環境において、強力な整合性とパフォーマンス特性を保証する並行制御メカニズムを設計すること。
• トランザクションのアボートを排除し、共有データ構造への並行アクセスにおいてウェイトフリーネスと上限付きステップ複雑性を保証すること。
• 効率的なバージョン管理を実現することで、古いデータバージョンの正確なガベージコレクションを可能にすること。
• 読み込みが大部分を占めるシステム、たとえば検索インデックスや分析データベースにおいて、高性能で低オーバーヘッドの更新を可能にすること。
• 範囲和クエリおよび検索インデックスワークロードにおける実装と評価を通じて、実用的妥当性を示すこと。

提案手法

• リーダーはデータ構造の整合的なスナップショットにアクセスする、マルチバージョン並行制御の変種を採用する。
• ライタは新しいルートノードをアトミックにスワップすることで更新をコミットし、ロックなしでバージョンの一貫性を保証する。
• すべてのユーザコードは純粋関数型スタイルで実行され、副作用を防止し、安全なスナップショットリードを可能にする。
• ロックフリーなアルゴリズムがバージョン管理を管理し、ライブバージョンを追跡し、効率的なガベージコレクションを可能にする。
• 最大ライブバージョン数は、同時に進行中のトランザクション数に制限される。
• 実装は、バランスドバイナリツリーを基盤として、並列ライブラリ（PAM）をC++で使用して、効率的な更新とクエリをサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一ライタ並行制御モデルは、トランザクションのアボートなしで厳密な可串実行性を達成できるか？
• RQ2 並行環境において、正確なガベージコレクションを可能にするために、バージョン管理をどのように効率的に行えるか？
• RQ3 高頻度のリーダーと単一ライタワークロード下で、複数バージョンの維持にどのようなオーバーヘッドが生じるか？
• RQ4 実際の環境で、ウェイトフリーネスと上限付きステップ複雑性を保証できるか？
• RQ5 範囲和クエリや検索インデックスの更新といった実世界ワークロードにおいて、このアプローチはスケーラブルか？

主な発見

• 高競合下でも厳密な可串実行性を達成し、トランザクションのアボートを完全に回避することが確認された。
• 最大ライブバージョン数は、同時に進行中のトランザクション数に制限され、メモリ使用量が予測可能になる。
• 実験ではバックグラウンドライタのオーバーヘッドが最小限に抑えられ、クエリは段階的に更新されたデータバージョンを受け取ることが確認された。
• ロックフリーなバージョン管理アルゴリズムにより、ブロッキングや過剰なメモリ保持なしに効率的なガベージコレクションが実現された。
• 範囲和クエリおよび検索インデックスワークロードの両方において、リーダーの高スループットと低レイテンシ、更新コストの低さを維持した。
• 純粋関数型アクセスパターンにより、データレースや整合性違反が生じない、安全なロックフリーなスナップショットリードが可能になった。