[論文レビュー] Maintaining Acyclicity of Concurrent Graphs

Sathya Peri, Muktikanta Sa+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2016

Distributed systems and fault tolerance参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、競合フリーなスナップショットとウェイトレスな到達可能性に基づく2つの並列アルゴリズムを提示する。これらは、並列更新下での有向グラフにおける無閉路性の維持を可能にする。細かめのロックに比べて顕著な高速化を達成し、スケーラブルなグラフ操作を効率的に行いながら、データベースのシリアライゼーショングラフテストやトランザクショナルメモリなどの応用において極めて重要な無閉路不変条件を保つ。

ABSTRACT

In this paper, we consider the problem of preserving acyclicity in a directed graph (for shared memory architecture) that is concurrently being updated by threads adding/deleting vertices and edges. To the best of our knowledge, no previous paper has presented a con- current graph data structure. We implement the concurrent directed graph data-structure as a concurrent adjacency list representation. We extend the lazy list implementation of concurrent linked lists for maintaining concurrent adjacency lists. There exists a number of graph applications which require the acyclic invariant in a directed graph. One such example is Serialization Graph Testing Algorithm used in databases and transactional memory. We present two concurrent algorithms for maintaining acyclicity in a concurrent graph: (i) Based on obstruction-free snapshots (ii) Using wait-free reachability. We compare the performance of these algorithms against the coarse-grained locking strategy, commonly used technique for allowing concurrent updates. We present the speedup obtained by these algorithms over sequential execution. As a future direction, we plan to extend this data structure for other progress conditions.

研究の動機と目的

• 並列更新下でも無閉路性を保つ並列グラフデータ構造の不足を解消すること。
• スレッドが動的に頂点や辺を追加・削除する共有メモリシステムにおいて、効率的でスケーラブルなグラフ操作を可能にすること。
• データベースのシリアライゼーショングラフテストやトランザクショナルメモリなど、無閉路不変条件を必要とする重要な応用を支援すること。
• 並列アクセス下での正しさを保証するとともに、ブロッキングと競合を最小限に抑えるアルゴリズムの設計。

提案手法

• 並列リンクリストのラージなリストアプローチを拡張し、有向グラフにおける並列隣接リストを実装する。
• 競合フリーなスナップショットを用いて、並列な辺の挿入中にサイクルを検出し、防止する。
• ウェイトレスな到達可能性チェックを採用し、ブロッキングを回避して無閉路性を検証し、競合が激しくても進行を保証する。
• スレッドセーフに動作する動的グラフ更新をサポートする並列隣接リスト表現を実装する。
• 実時間での無閉路性の検証に適した軽量で効率的なサイクル検出メカニズムを統合する。
• ベースラインとして細かめのロックを用い、スループットとスケーラビリティに注目して性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 競合フリーなスナップショットは、並列有向グラフにおける無閉路性の維持に効果的に利用可能か？
• RQ2 ウェイトレスな到達可能性は、並列グラフにおけるサイクル検出のための細かめのロックのスケーラブルな代替手段となるか？
• RQ3 提案されたアルゴリズムのパフォーマンスは、細かめのロックと比較してどの程度のスルーブプとスケーラビリティを示すか？
• RQ4 並列更新下での無閉路性の維持において、進行保証とパフォーマンスのトレードオフは何か？

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは逐次実行に比べ顕著な高速化を達成し、並列環境下での高いスケーラビリティを示した。
• 競合フリーなスナップショットに基づくアルゴリズムは、細かめのロックに比べて競合を低減し、スループットを向上させた。
• ウェイトレスな到達可能性アプローチは、高負荷の競合下でも進行を保証し、より強い進行保証を提供した。
• 両方のアルゴリズムが、並列な頂点および辺の操作中にも無閉路不変条件を正常に維持した。
• パフォーマンス評価により、スケーラビリティと応答性の点で、細かめのロックを上回ることが確認された。
• 結果は、強い正しさ保証を備えた効率的な並列グラフデータ構造を、無閉路性の維持のために構築可能であることを裏付けた。