[論文レビュー] Persistent Memory Transactions

Virendra J. Marathe, Achin Mishra+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 20被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、永続メモリ用の3つのトランザクションランタイムシステム—アンダーロギング、リドゥロギング、コピーオンライト—の包括的な性能分析を提示する。ワークロードのアクセスパターン、永続ドメインの構成、キャッシュ局所性、およびメンテナンスオーバーヘッドの観点から、それらのトレードオフを評価している。結果として、どの設定でも優勢なランタイムが存在しないことが判明し、性能はワークロードの特性や、パースシステムバリアの遅延やメモリ階層設計といったシステムレベル要因に強く依存する。

ABSTRACT

This paper presents a comprehensive analysis of performance trade offs between implementation choices for transaction runtime systems on persistent memory. We compare three implementations of transaction runtimes: undo logging, redo logging, and copy-on-write. We also present a memory allocator that plugs into these runtimes. Our microbenchmark based evaluation focuses on understanding the interplay between various factors that contribute to performance differences between the three runtimes -- read/write access patterns of workloads, size of the persistence domain (portion of the memory hierarchy where the data is effectively persistent), cache locality, and transaction runtime bookkeeping overheads. No single runtime emerges as a clear winner. We confirm our analysis in more realistic settings of three "real world" applications we developed with our transactional API: (i) a key-value store we implemented from scratch, (ii) a SQLite port, and (iii) a persistified version of memcached, a popular key-value store. These findings are not only consistent with our microbenchmark analysis, but also provide additional interesting insights into other factors (e.g. effects of multithreading and synchronization) that affect application performance.

研究の動機と目的

• 永続メモリシステムにおけるアンダーロギング、リドゥロギング、コピーオンライトトランザクションランタイムの性能トレードオフを体系的に評価すること。
• 特に読み取り/書き込みアクセスパターンに注目したワークロード特性が、永続ドメイン設計やキャッシュ局所性といったシステムレベル要因とどのように相互作用するかを分析すること。
• すべての3つのトランザクションランタイムモデルに適合するように最適化されたメモリアロケータの開発と統合。
• マイクロベンチマークの結果を、キーバリューストア、SQLiteの移植版、memcachedの永続化実装を含む実世界のアプリケーションで検証すること。
• ワークロードとハードウェア構成に基づいてトランザクションランタイムを選択するための実用的インサイトをシステム設計者に提供すること。

提案手法

• 永続メモリ用に、アンダーロギング、リドゥロギング、コピーオンライトのセマンティクスに基づく3つのトランザクションランタイムシステムの設計および実装。
• メモリ階層における有効な永続性を実現するための、ハードウェアおよびソフトウェア支援に基づく永続ドメインの新しい分類法を導入。
• アロケーションの追跡をトランザクショナルログから分離することで、すべての3つのランタイムモデルで再利用可能なメモリアロケータを開発。
• すべてのトランザクションコミットにおいて必要なパーシステントバリア命令の数を最小限に抑えるため、すべてのランタイムを最適化。
• Intelのソフトウェアエミュレーションプラットフォームを用いて、異なる読み取り/書き込み比率およびパーシステントバリア遅延を想定したマイクロベンチマークを実施。
• 3つの実世界アプリケーション（カスタムキーバリューストア、移植済みSQLite、永続化済みmemcached）を用いて、結果の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるトランザクションランタイム戦略（アンダーロギング、リドゥロギング、コピーオンライト）は、永続メモリにおけるさまざまな読み取り/書き込みアクセスパターンでどのように性能を発揮するか？
• RQ2 永続ドメインの構成が、特にパーシステントバリアのオーバーヘッドを考慮して、トランザクションランタイムの性能に与える影響は何か？
• RQ3 キャッシュ局所性とトランザクションランタイムのメンテナンスオーバーヘッドは、エンドツーエンドのトランザクション性能にどのように影響を及けるか？
• RQ4 実世界のアプリケーションは、マイクロベンチマークで観察された性能トレンドをどの程度反映しているか？
• RQ5 マルチスレッド処理と同期オーバーヘッドは、並列ワークロードにおけるトランザクション性能にどのように影響を及えるか？

主な発見

• アンダーロギング、リドゥロギング、コピーオンライトのいずれのトランザクションランタイムも、すべてのワークロードとシステム構成で一貫して優れているわけではない。
• コピーオンライトトランザクションは、メモリのアロケーションとコピーのオーバーヘッドが高く、高スループットワークロードには不適切である。
• アンダーロギングは、特にmemcachedのようなマルチスレッド環境において、高比率の書き込みが発生する状況で、put操作の遅延が200マイクロ秒以上にまで上昇する。
• リドゥロギングは読み取り中心のワークロードでは良好に動作するが、パーシステントバリア遅延が高い状況では、読み取り後の書き込みシナリオで照会オーバーヘッドが顕著に現れる。
• トランザクション性能は、ワークロードのアクセスパターン、永続ドメイン設計、キャッシュ局所性の相互作用に強く依存しており、万能なソリューションは存在しない。
• memcached やキーバリューストアといった実世界のアプリケーションはマイクロベンチマークのトレンドを確認しており、同期処理やネットワーキングのオーバーヘッドによる追加のパフォーマンスボトルネックも明らかになった。