[論文レビュー] Local Linearizability

Andreas Haas, Thomas A. Henzinger+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2015

Distributed systems and fault tolerance参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、キュー や スタック のようなコンテナ型の並行データ構造向けの緩和された一貫性条件であるローカル線形化可能性（local linearizability）を導入する。この条件は、各スレッドが自身の操作および自身の値を削除する操作を線形化可能順序で観測することを保証する。既存の線形化可能ビルディングブロックとローカル高速パス最適化を用いることで、従来の線形化可能実装および緩和型実装よりも顕著な性能および拡張性の向上を達成しており、特に重要なワークロードではk-out-of-order型実装でさえも上回っている。

ABSTRACT

The semantics of concurrent data structures is usually given by a sequential specification and a consistency condition. Linearizability is the most popular consistency condition due to its simplicity and general applicability. Nevertheless, for applications that do not require all guarantees offered by linearizability, recent research has focused on improving performance and scalability of concurrent data structures by relaxing their semantics. In this paper, we present local linearizability, a relaxed consistency condition that is applicable to container-type concurrent data structures like pools, queues, and stacks. While linearizability requires that the effect of each operation is observed by all threads at the same time, local linearizability only requires that for each thread T, the effects of its local insertion operations and the effects of those removal operations that remove values inserted by T are observed by all threads at the same time. We investigate theoretical and practical properties of local linearizability and its relationship to many existing consistency conditions. We present a generic implementation method for locally linearizable data structures that uses existing linearizable data structures as building blocks. Our implementations show performance and scalability improvements over the original building blocks and outperform the fastest existing container-type implementations.

研究の動機と目的

• 並行データ構造における線形化可能性の性能および拡張性の制限を解消するため、緩和された一貫性条件を導入すること。
• グローバルな同期オーバーヘッドを低減しつつ、スレッドごとの正しさを保つ一貫性モデルを定義すること。
• 既存の線形化可能データ構造をビルディングブロックとして用いる汎用的実装手法を提供すること。
• ローカル線形化可能実装の性能および拡張性を、既存のアプローチと比較して実験的に評価すること。
• ローカル線形化可能性が、実世界のワークロードに適した実用的で高性能な並行データ構造を可能にすることを示すこと。

提案手法

• 各スレッドの自身の挿入および自身の値の削除によって誘発される履歴が線形化可能であることを要件とする、スレッドローカルの一貫性条件としてローカル線形化可能性を提案する。
• スレッドが挿入した値の挿入および削除を、そのスレッドの挿入および削除に制限して、グローバル実行の投影としてスレッドに由来する履歴を定義する（削除がどこで発生しても無視しない）。
• 既存の線形化可能データ構造（例：MSキュー、Treiberスタック）をビルディングブロックとして用い、性能向上のためのローカル高速パスを追加する。
• ローカル操作とリモート同期を組み合わせたハイブリッドアプローチを採用し、ローカル操作は即時のグローバル一貫性チェックを経ずに処理される。
• モジュラーな検証技術を適用：全体構造の正しさは、ビルディングブロックの線形化可能性と、誘発履歴のローカル線形化可能性から導かれる。
• 40コアシステム上で、スレッド数を変化させたプローデューサ・コンシューマーおよび順次交互ワークロードのマイクロベンチマークを実施し、性能および拡張性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スレッドごとの正しさを保ちつつ、性能および拡張性を向上させるような緩和された一貫性条件を定義できるか？
• RQ2 実際の動作において、ローカル線形化可能性はk-out-of-order や クイiescent一貫性といった既存の緩和型セマンティクスと比べてどのように異なるか？
• RQ3 既存の線形化可能データ構造を最小限の変更でローカル線形化可能なものに組み合わせられ、測定可能な性能向上が得られるか？
• RQ4 ローカル高速パスは、高競合状態におけるスケーラビリティにどのような影響を与えるか？
• RQ5 ローカル線形化可能性は、キュー や スタック のような一般的なコンテナ型の正しいかつ効率的な実装を可能にするか？

主な発見

• LCRQ（ローカル一貫性リングキュー）およびLLD（ローカル線形化デュアル）データ構造は、高競合状態のワークロードにおいて、標準の線形化可能実装およびk-out-of-order型実装を上回る性能を示した。
• LLD LCRQ および LL + D Treiberスタックは、80スレッドまでほぼ線形的なスケーリングを示し、10スレッドを超えるとMSキューおよびTreiberスタックを上回った。
• LLD最適化（ローカル操作を優先）により、特にk-FIFOが性能を発揮しないほぼ空の状態でも顕著な性能向上が得られた。
• 順次交互ワークロードでは、LLD LCRQおよびLLD k-スタックがk-out-of-order型実装を上回り、ローカル高速パスの利点を実証した。
• ローカル線形化可能性は、正しくかつ非常にスケーラブルな実装を可能にし、従来の線形化可能実装と比較して数倍の高速化を実現した。
• ローカル線形化可能性の検証はモジュラーかつ合成的であり、ビルディングブロックの線形化可能性と、キューイングおよびデキューイングの順序に関する単純な公理的条件に依存する。