[論文レビュー] Sequential Consistency and Concurrent Data Structures

Ali Sezgin|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Distributed systems and fault tolerance被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、並行データ構造における線形化可能性の弱い代替手段としての順序整合性（SC）を調査し、スレッドが同期なしで動作できる単純に壊れた実装を許容することを明らかにしている。これを解決するために、著者らはk-SCを提唱する——これは、最大k個のローカルイベントごとに同期を強制するSCの定量的強化であり、SCと線形化可能性の間でスケーラブルな階層を形成する。

ABSTRACT

Linearizability, the de facto correctness condition for concurrent data structure implementations, despite its intuitive appeal is known to lead to poor scalability. This disadvantage has led researchers to design scalable data structures satisfying consistency conditions weaker than linearizability. Despite this recent trend, sequential consistency as a strictly weaker consistency condition than linearizability has received no interest. In this paper, we investigate the applicability of sequential consistency as an alternative correctness criterion for concurrent data structure implementations. Our first finding formally justifies the reluctance in moving towards sequentially consistent data structures: Implementations in which each thread modifies only its thread-local variables are sequentially consistent for various standard data structures such as pools, queues and stacks. We also show that for almost all data structures, and the data structures we consider in this paper, it is possible to have sequentially consistent behaviors in which a designated thread does not synchronize at all. As a potential remedy, we define a hierarchy of quantitatively strengthened variants of sequential consistency such that the stronger the variant the more synchronization it enforces which at the limit is equal to that enforced by linearizability.

研究の動機と目的

• 理論的魅力にもかかわらず、並行データ構造の正当性基準として順序整合性（SC）を実用的かどうか評価すること。
• 標準的なデータ構造において非同期化や意味的に誤った振る舞いを許容するSCの根本的欠陥を特定すること。
• 周期的な同期を強制することで病理的実装を防ぐ、SCの定量的修正であるk-SCを提唱すること。
• 非同期化の上限を制限することで、SCと線形化可能性の間の形式的階層を確立すること。
• キュー、スタック、プールといった一般的なデータ構造が、SCの実装メカニズムの欠如により脆弱であることを示すこと。

提案手法

• メソッドのシーケンスがデータ構造の現在の状態に依存せず常に有効であるという性質として、整合性の強さを定義する。
• 任意の2つの有効な振る舞いを重ね合わせても依然として有効であるような構造的性質として、合成可能性を導入する。
• ローカルイベントシーケンスが整合性の強さを満たす場合、スレッドが同期を無期限に延期できるSC実装を構築する。
• k-SCを提唱する——これは、各スレッドが最大k個のローカルイベントごとに少なくとも1回は同期する必要があるという条件である。
• kイベントごと、または整合性の強さに違反した場合に、局所的に操作をバッファリングし、アトミックにコミットするテンプレートアルゴリズムを設計する。
• k-SCを特徴付けるために、k-シリアル履歴を形式的に定義する。0-SCは線形化可能性に等しい。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キュー、スタック、プールといった一般的なデータ構造の順序整合性実装において、同期の欠如により意味的に誤った振る舞いが生じる可能性は何か？
• RQ2 合成可能性や整合性の強さといった構造的条件が、SC実装が意味のある同期を強制しない理由となるのはどのような状況か？
• RQ3 スレッドが孤立して同期を行わず、スケーラビリティを保ちつつ、SCを定量的に強化する方法はあるか？
• RQ4 k-SCは線形化可能性とどのように関係し、実用的な中間的一致性条件として機能できるか？
• RQ5 局所的バッファリングとアトミックコミットメカニズムを用いて、k-SCは実際のシステムで効果的に実装可能か？

主な発見

• すべての標準的なデータ構造（プール、キュー、スタック、レジスタ）において、スレッドが他のスレッドと同期せずに任意に長いシーケンスを実行できる順序整合性実装が存在する。
• キューとスタックのような合成可能なデータ構造では、完全に同期しない実装が順序整合性を満たし、未処理のタスクなどの誤ったプログラム振る舞いを引き起こす。
• ローカルで整合性の強さを満たすシーケンス（例：push、enqueue）の存在により、スレッドは正しさに影響を与えることなく、独立して操作を実行できる。
• k-SCは、各スレッドが最大kイベントごとに少なくとも1回は同期するように形式的に定義され、0-SCは線形化可能性に等しい。
• k-SCモデルは、SCと線形化可能性の間で連続的なスケールを提供し、非同期化の上限を制限したスケーラブルな実装を可能にする。
• k-SCテンプレートは、既存の単一実装を局所的バッファリングと閾値到達または整合性の強さ違反時のアトミックコミットで変更することで実装可能である。