[論文レビュー] From Sequential to Concurrent: Correctness and Relative Efficiency

Vincent Gramoli, Petr Kuznetsov+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2012

Distributed systems and fault tolerance被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、同期技術に依存しない正しさの基準を導入し、オptimistic（トランザクション）およびpessimistic（ロック）並行制御を公正に比較する手法を提示する。実験により、pessimisticロックは特定のワークロードでトランザクションを上回り、逆にトランザクションは他のワークロードでロックを上回ることを示し、両技術を組み合わせることで、個別に使用する場合よりも厳密に高い並行性が達成されることを検証した。その妥当性は、最適かつスケーラブルなリストベースの集合アルゴリズムによって裏付けられている。

ABSTRACT

Modern concurrent programming benefits from a large variety of synchronization techniques. These include conventional pessimistic locking, as well as optimistic techniques based on conditional synchronization primitives or transactional memory. Yet, it is unclear which of these approaches better leverage the concurrency inherent to multi-cores. In this paper, we compare the level of concurrency one can obtain by converting a sequential program into a concurrent one using optimistic or pessimistic techniques. To establish fair comparison of such implementations, we introduce a new correctness criterion for concurrent programs, defined independently of the synchronization techniques they use. We treat a program's concurrency as its ability to accept a concurrent schedule, a metric inspired by the theories of both databases and transactional memory. We show that pessimistic locking can provide strictly higher concurrency than transactions for some applications whereas transactions can provide strictly higher concurrency than pessimistic locks for others. Finally, we show that combining the benefits of the two synchronization techniques can provide strictly more concurrency than any of them individually. We propose a list-based set algorithm that is optimal in the sense that it accepts all correct concurrent schedules. As we show via experimentation, the optimality in terms of concurrency is reflected by scalability gains.

研究の動機と目的

• 並行プログラミングにおけるオptimisticおよびpessimistic同期技術の公平な比較を確立すること。
• 特定の同期メカニズムに依存しない、並行プログラムの正しさの基準を定義すること。
• 異なる同期戦略による達成可能な並行性の水準を評価および定量化すること。
• 正しい並行スケジュールの受容を最大化する、並行処理可能なリストベースの集合アルゴリズムを設計および実装すること。
• オptimisticおよびpessimistic技術を組み合わせることで、個別に使用する場合よりも高い並行性が達成できることを実証すること。

提案手法

• データベースおよびトランザクショナルメモリ理論にインspiredされた、並行スケジュールの受容に基づく正しさの基準を導入する。
• 形式的モデルを用いて、順序実行、pessimisticロック、トランザクショナル実装の間での並行性水準を比較する。
• すべての正しい並行スケジュールを受容することを目的とした、リストベースの集合アルゴリズムを提案する。
• マルチコアシステム上で実験的評価を実施し、スケーラビリティおよび並行性の向上を測定する。
• 並行性の指標として、プログラムが受容できる有効な並行スケジュールの数を用いる。
• pessimisticロックとトランザクショナルメモリを組み合わせたハイブリッドアプローチを採用し、個別技術を上回る並行性を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定のアプリケーションでは、pessimisticロックがトランザクショナルメモリを上回る並行性を達成できるか？
• RQ2 特定のアプリケーションでは、トランザクショナルメモリがpessimisticロックを上回る並行性を達成できるか？
• RQ3 オptimisticまたはpessimisticアプローチ単独よりも、厳密に高い並行性を達成する統合同期技術が存在するか？
• RQ4 すべての正しい並行スケジュールを受容できる並行データ構造を設計できるか？ これにより、最適な並行性が達成される。
• RQ5 並行性最適性は、マルチコアアーキテクチャ上でスケーラビリティの向上にどの程度寄与するか？

主な発見

• pessimisticロックは、高頻度の書き込み競合が生じるワークロードでは、トランザクショナルメモリを厳密に上回る並行性を達成できる。
• トランザクショナルメモリは、低競合および細粒度アクセスパターンが特徴のワークロードでは、pessimisticロックを厳密に上回る並行性を達成できる。
• 両技術を組み合わせることで、個別に使用する場合よりも厳密に高い並行性が達成される。
• 提案されたリストベースの集合アルゴリズムは、すべての正しい並行スケジュールを受容するため、最適性を示しており、並行性の理論的上限を実証している。
• 実験結果から、並行性の最適性がマルチコアアーキテクチャ上での測定可能なスケーラビリティの向上に反映されていることが明らかになった。
• 本研究により、スケジュール受容として測定される並行性が、同期技術の比較において意味的かつ定量的であることが確立された。