[논문 리뷰] A Concurrency-Optimal List-Based Set

Aksenov, Vitaly, Vincent Gramoli외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 05.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 24인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 선형화 위반을 일으키는 스케줄만 거부하는 값 인식 시도 잠금 동기화를 사용하는 동시성 최적화 리스트 기반 세트 알고리즘인 Value-Based List(VBL)을 제안한다. 다음 노드의 값을 잠금을 확보하기 이전에 검증함으로써 VBL은 더 높은 동시성을 달성하고, 고도로 경쟁적인 워크로드에서 레이지 연결 리스트 및 해리스-마이클 알고리즘보다 최대 1.6배 빠르게 동작한다.

ABSTRACT

Designing an efficient concurrent data structure is an important challenge that is not easy to meet. Intuitively, efficiency of an implementation is defined, in the first place, by its ability to process applied operations in parallel, without using unnecessary synchronization. As we show in this paper, even for a data structure as simple as a linked list used to implement the set type, the most efficient algorithms known so far are not concurrency-optimal: they may reject correct concurrent schedules. We propose a new algorithm for the list-based set based on a value-aware try-lock that we show to achieve optimal concurrency: it only rejects concurrent schedules that violate correctness of the implemented set type. We show empirically that reaching optimality does not induce a significant overhead. In fact, our implementation of the concurrency-optimal algorithm outperforms both the Lazy Linked List and the Harris-Michael state-of-the-art algorithms.

연구 동기 및 목표

• 기존 리스트 기반 세트 알고리즘에서 동시성 최적화의 부족으로 인해 불필요하게 올바른 동시 스케줄을 거부하는 문제를 해결하기 위해.
• 모든 올바른 인터리빙(교차 실행)을 수락하는 즉, 동시성 최적화인 동시 데이터 구조를 설계하기 위해.
• 최적의 동시성 달성을 위한 성능 오버헤드가 상당한지, 또는 경쟁 상황에서 더 나은 확장성을 제공하는지 평가하기 위해.
• 값 인식 동기화가 리스트 기반 세트에서 동시성과 성능을 모두 향상시킬 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 잠금 확보 후 다음 노드의 값이 변경되었는지 검증하는 값 인식 시도 잠금 메커니즘을 도입한다: 먼저 잠금을 확보한 후, 다음 노드의 값을 검증한다.
• 레이지 연결 리스트의 wait-free 탐색 방식과 해리스-마이클의 논리적 삭제 모델을 결합하여 메타데이터를 구조적 업데이트에서 분리한다.
• 잠금 확보 이전에 값을 검증함으로써, 데이터를 수정하지 않는 운영에서 메타데이터에 대한 불필요한 경쟁을 줄인다.
• 잠금 확보에 compare-and-swap(CAS)를 사용하고, 검증 중 값이 변경되면 운영을 재시도함으로써 일관성을 보장한다.
• 메모리 재활용을 위해 자바의 가비지 컬렉터를 활용하며, 삭제 마킹, 버전 등 메타데이터를 구조적 데이터에서 분리시켜 가짜 공유(false sharing)를 감소시키고 성능을 향상시킨다.
• 공식적으로 VBL이 선형화 위반을 일으키는 스케줄만 거부함을 증명하여 동시성 최적임을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 올바른 동시 스케줄을 수락하는 동시성 최적화 리스트 기반 세트를 설계할 수 있는가?
• RQ2 기존 고성능 알고리즘과 비교해 동시성 최적화를 달성하는 데 상당한 성능 오버헤드가 발생하는가?
• RQ3 값 인식 동기화는 동시 연결 리스트에서 동시성과 처리량을 모두 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 VBL은 레이지 연결 리스트 및 해리스-마이클 알고리즘과 비교해 고도로 경쟁적인 환경에서 어떻게 동작하는가?

주요 결과

• VBL은 선형화 위반을 일으키는 스케줄만 거부함으로써 선형화 위반을 일으키지 않는 스케줄은 모두 수락함으로써, 오늘날까지 가장 동시성이 높은 리스트 기반 세트 알고리즘이다.
• 72코어 인텔 머신에서 72개 스레드, 20% 업데이트 워크로드 조건에서 VBL은 레이지 연결 리스트보다 1.6배 빠르게 동작한다.
• 읽기 전용 워크로드에서는 VBL이 해리스-마이클 알고리즘보다 최대 1.6배 빠르게 동작한다. 이는 탐색 중 메타데이터 접근 횟수가 감소했기 때문이다.
• 레이지 연결 리스트가 40개 스레드를 초과하면 성능 저하가 발생하는 것을 VBL은 완화하여 고도의 경쟁 상황에서도 확장성이 향상됨을 보여준다.
• 실험적 평가를 통해 최적의 동시성이 상당한 오버헤드를 유발하지 않으며, VBL은 고도로 경쟁적인 상황에서도 높은 처리량을 유지함을 확인했다.