[논문 리뷰] From Sequential to Concurrent: Correctness and Relative Efficiency

Vincent Gramoli, Petr Kuznetsov외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 21.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 동기화 기법에 종속되지 않는 정확성 기준을 제안하여 옵timistic(트랜잭셔널) 및 페널티브(락 기반) 동시성 제어를 공정하게 비교한다. 실험 결과, 일부 워크로드에서는 페널티브 락이 트랜잭셔널 메모리보다 성능이 뛰어나며, 다른 워크로드에서는 트랜잭셔널 메모리가 락보다 성능이 뛰어나며, 두 기법을 조합하면 개별적으로 사용할 때보다 엄밀히 더 높은 동시성 수준을 달성함을 입증한다. 이는 최적이고 확장 가능한 리스트 기반 세트 알고리즘을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Modern concurrent programming benefits from a large variety of synchronization techniques. These include conventional pessimistic locking, as well as optimistic techniques based on conditional synchronization primitives or transactional memory. Yet, it is unclear which of these approaches better leverage the concurrency inherent to multi-cores. In this paper, we compare the level of concurrency one can obtain by converting a sequential program into a concurrent one using optimistic or pessimistic techniques. To establish fair comparison of such implementations, we introduce a new correctness criterion for concurrent programs, defined independently of the synchronization techniques they use. We treat a program's concurrency as its ability to accept a concurrent schedule, a metric inspired by the theories of both databases and transactional memory. We show that pessimistic locking can provide strictly higher concurrency than transactions for some applications whereas transactions can provide strictly higher concurrency than pessimistic locks for others. Finally, we show that combining the benefits of the two synchronization techniques can provide strictly more concurrency than any of them individually. We propose a list-based set algorithm that is optimal in the sense that it accepts all correct concurrent schedules. As we show via experimentation, the optimality in terms of concurrency is reflected by scalability gains.

연구 동기 및 목표

• 옵티미스틱 및 페널티브 동시성 제어 기법 간의 공정한 비교를 위한 기반을 마련하기 위해.
• 특정 동기화 메커니즘에 종속되지 않는 동시 프로그램에 대한 정확성 기준을 정의하기 위해.
• 다양한 동기화 전략을 통해 달성 가능한 동시성 수준을 평가하고 정량화하기 위해.
• 모든 정확한 동시 스케줄을 수락하는 최적의 동시성 리스트 기반 세트 알고리즘을 설계하고 구현하기 위해.
• 옵티미스틱 및 페널티브 기법을 조합하면 개별적으로 사용할 때보다 엄밀히 더 높은 동시성을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 데이터베이스 및 트랜잭셔널 메모리 이론에서 영감을 얻어, 동시 스케줄 수락 기반의 정확성 기준을 도입한다.
• 순차적, 페널티브 락 기반, 트랜잭셔널 구현 간의 동시성 수준을 비교하기 위해 형식적 모델을 사용한다.
• 모든 정확한 동시 스케줄을 수락하도록 설계된 리스트 기반 세트 알고리즘을 제안하여 최적의 동시성을 달성한다.
• 다중 코어 시스템에서 실험적 평가를 수행하여 확장성과 동시성 향상을 측정한다.
• 프로그램이 수락할 수 있는 유효한 동시 스케줄 수를 동시성의 지표로 사용한다.
• 페널티브 락과 트랜잭셔널 메모리를 조합한 하이브리드 기법을 적용하여 개별 기법보다 동시성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일부 응용 프로그램에서는 페널티브 락이 트랜잭셔널 메모리보다 더 높은 동시성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 일부 응용 프로그램에서는 트랜잭셔널 메모리가 페널티브 락보다 더 높은 동시성을 달성할 수 있는가?
• RQ3 옵티미스틱 또는 페널티브 접근 방식을 개별적으로 사용할 때보다 엄밀히 더 높은 동시성을 달성하는 통합 동기화 기법이 존재하는가?
• RQ4 정확한 동시 스케줄을 모두 수락할 수 있는 동시 데이터 구조를 설계할 수 있는가? 이를 통해 최적의 동시성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 동시성 최적화는 다중 코어 아키텍처에서 확장성 향상으로 얼마나 잘 이어지는가?

주요 결과

• 고도의 씻기 경쟁이 발생하는 워크로드에서는 페널티브 락이 트랜잭셔널 메모리보다 엄밀히 더 높은 동시성을 달성할 수 있다.
• 저도의 경쟁과 세밀한 액세스 패턴을 가지는 워크로드에서는 트랜잭셔널 메모리가 페널티브 락보다 엄밀히 더 높은 동시성을 달성할 수 있다.
• 두 기법을 조합하면 개별적으로 사용할 때보다 엄밀히 더 높은 동시성을 달성할 수 있다.
• 제안된 리스트 기반 세트 알고리즘은 모든 정확한 동시 스케줄을 수락하므로 최적의 성능을 보이며, 이는 동시성의 이론적 상한선을 보여준다.
• 실험 결과, 동시성 최적화가 다중 코어 아키텍처에서 측정 가능한 확장성 향상으로 이어짐을 입증한다.
• 동시성 수준을 스케줄 수락 수로 측정할 경우, 이는 동기화 기법 비교에 있어 의미 있고 정량화 가능한 지표임을 규명했다.