[論文レビュー] NWR: Rethinking Thomas Write Rule for Omittable Write Operations

Sho Nakazono, Hiroyuki Uchiyama+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、追加のバージョン順序の検証により、ロックなしで書き込み操作を安全に省略できるようにする形式的フレームワークである非可視書き込み則（NWR）を導入する。NWRは、書き込み省略可能性をタイムスタンプ順序から分離することで、Silo、TicToc、MVTO などのプロトコルが、厳密な可串性および回復性を保ちながら、高頻度の書き込み競合が生じるワークロードにおいて最大11倍の性能向上を達成できるようにする。

ABSTRACT

Concurrency control protocols are the key to scaling current DBMS performances. They efficiently interleave read and write operations in transactions, but occasionally they restrict concurrency by using coordination such as exclusive lockings. Although exclusive lockings ensure the correctness of DBMS, it incurs serious performance penalties on multi-core environments. In particular, existing protocols generally suffer from emerging highly write contended workloads, since they use innumerable lockings for write operations. In this paper, we rethink the Thomas write rule (TWR), which allows the timestamp ordering (T/O) protocol to omit write operations without any lockings. We formalize the notion of omitting and decouple it from the T/O protocol implementation, in order to define a new rule named non-visible write rule (NWR). When the rules of NWR are satisfied, any protocol can in theory generate omittable write operations with preserving the correctness without any lockings. In the experiments, we implement three NWR-extended protocols: Silo+NWR, TicToc+NWR, and MVTO+NWR. Experimental results demonstrate the efficiency and the low-overhead property of the extended protocols. We confirm that NWR-extended protocols achieve more than 11x faster than the originals in the best case of highly write contended YCSB-A and comparable performance with the originals in the other workloads.

研究の動機と目的

• マルチコアシステムにおける高頻度の書き込み競合が原因で生じる性能ボトルネックを解消すること。
• 古典的なトーマス書き込み則（TWR）の制限を超えて、タイムスタンプ順序に依存しない形で「省略可能な」書き込み操作の概念を形式的に定式化すること。
• 追加のバージョン順序の検証により、任意の並行制御プロトコルが安全に書き込み操作を省略できるようにし、厳密な可串性および回復性を維持すること。
• NWR拡張プロトコルを設計・実装し、現代のベンチマークにおいて最小限のオーバーヘッドで高い性能を達成すること。

提案手法

• マルチバージョン可串性理論からのバージョン順序を用いて「省略可能」を形式化し、逆方向のバージョン順序が存在する場合に限り、書き込みが省略可能であると定義する。
• タイムスタンプベースのプロトコルから省略可能を分離するために、逆バージョン順序の検証に依存する非可視書き込み則（NWR）を導入する。
• Silo、TicToc、MVTO などの既存プロトコルに NWR を拡張し、不要な書き込みを検出し省略するための追加のバージョン順序の検証を追加する。
• MVSG（マルチバージョン可串性グラフ）検証の変種を用いて一貫性を確認し、グラフ構造を再利用することでキャッシュオーバーヘッドを低減する最適化を施す。
• ブラインドアップデートを検出するメカニズムを実装し、書き込みが非可視でありかつ安全に省略可能である場合にのみ NWR を適用する。
• バージョンリストの走査を最適化し、既存のデータ構造を再利用し、特に MVTO+NWR において冗長な操作を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T/O などのタイムスタンプ順序に依存するプロトコルに限らず、省略可能な書き込み操作の概念を一般化できるか？
• RQ2 厳密な可串性や回復性を損なわずに、書き込み操作を安全に省略するための形式的条件は何か？
• RQ3 特に高頻度の競合が生じるワークロードにおいて、複数のバージョン順序を効率的に検証できるプロトコルを拡張できるか？
• RQ4 NWR拡張プロトコルの性能は、元のプロトコルと比較して、多様なワークロードでどのように異なるか？

主な発見

• NWR拡張プロトコルは、高頻度の書き込み競合が生じる YCSB-A ベンチマークにおいて、元の Silo と比較して11倍を超える性能向上を達成した。
• 高い読み取りおよび書き込み競合が生じる TPC-C ベンチマークにおいて、NWR拡張プロトコルは元のプロトコルと同等の性能を維持した。
• MVTO+NWR はバージョンリストの二重走査に起因する追加のオーバーヘッドを負っているが、逆バージョン順序検証の効率性のおかげで実際にはこれを緩和している。
• 追加の1つのバージョン順序の検証により、集中型トランザクション管理や複雑な調整を必要とせず、効率的かつ正しく書き込みを省略できる。
• NWR の PV-ルールにより、アボート処理は接続された部分グラフの検証のみで済み、複数のバージョン順序を維持するための計算コストが削減された。
• NWRフレームワークは普遍的に適用可能である：任意のプロトコルに単一の逆バージョン順序チェックを追加するだけで、さまざまな並行制御モデルにおいて安全な書き込み省略が可能になる。