[논문 리뷰] Starvation Freedom in Multi-Version Transactional Memory Systems

Ved Prakash Chaudhary, Sandeep S. Kulkarni외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 04.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 22인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 K개의 버전을 지원하는 다중 버전 소프트웨어 트랜잭셔널 메모리(STM) 시스템인 KSFTM을 제안한다. 여기서 K는 구성 가능한 파라미터이며, 이 시스템은 스터프리지(freedom)를 보장하면서도 각 트랜잭셔널 객체에 대해 최대 K개의 버전을 지원한다. 알고리즘은 동적이고 공정한 스케줄링 메커니즘을 사용하여 고우선순위 트랜잭션이 느리더라도 다른 트랜잭션을 차단하지 않도록 하여, 동시성과 다중 코어 환경에서 정확성과 스터프리지(freedom)를 달성한다.

ABSTRACT

Software Transactional Memory systems (STMs) have garnered significant interest as an elegant alternative for addressing synchronization and concurrency issues with multi-threaded programming in multi-core systems. In order for STMs to be efficient, they must guarantee some progress properties. This work explores the notion of starvation-freedom in Software Transactional Memory Systems (STMs). An STM system is said to be starvation-free if every thread invoking a transaction gets opportunity to take a step (due to the presence of a fair scheduler) then the transaction will eventually commit. A few starvation-free algorithms have been proposed in the literature in the context of single-version STM Systems. These algorithm work on the basis of priority. But the drawback with this approach is that if a set of high-priority transactions become slow then they can cause several other transactions to abort. Multi-version STMs maintain multiple-versions for each transactional object or t-object. By storing multiple versions, these systems can achieve greater concurrency. In this paper, we propose a multi-version starvation free STM, KSFTM, which as the name suggests achieves starvation freedom while storing K versions of each t-object. Here K is an input parameter fixed by the application programmer depending on the requirement. Our algorithm is dynamic which can support different values of K ranging from 1 to infinity . If K is infinity then there is no limit on the number of versions. But a separate garbage-collection mechanism is required to collect unwanted versions. On the other hand, when K is 1, it becomes same as a single-version STM system. We prove the correctness and starvation-freedom property of the proposed KSFTM algorithm. To the best of our knowledge, this is the first multi-version STM system that is correct and satisfies starvation-freedom as well.

연구 동기 및 목표

• 기존의 다중 버전 STM 시스템에서 스터프리지(freedom)가 보장되지 않아 무한정 트랜잭션 취소가 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위해.
• 1에서 무한대까지의 임의의 수의 버전(K)을 지원하는 동적 STM 알고리즘을 설계하여, 응용 프로그램의 필요에 따라 유연성을 확보하기 위해.
• 우선순위에 관계없이 모든 트랜잭션이 공정한 스케줄러 하에서 최종적으로 커밋되도록 보장하여 스터프리지(freedom)를 제거하기 위해.
• 다중 버전 STM 환경에서 정확성과 스터프리지(freedom)를 공식적으로 증명함으로써 이전 연구에서의 격차를 메우기 위해.

제안 방법

• KSFTM는 각 트랜잭셔널 객체에 대해 K개의 버전을 유지하여 동시 읽기와 쓰기 작업을 차단 없이 허용한다.
• 시스템 부하와 응용 프로그램 요구 사항에 따라 K를 동적으로 조정하는 동적 버전 관리 메커니즘을 사용한다.
• 고우선순위 트랜잭션이 느리더라도 어떤 트랜잭션도 무한정 지연되지 않도록 보장하는 공정한 스케줄링 메커니즘이 구현되어 있다.
• 버전 선택과 충돌 해결에 우선순위 기반 메커니즘을 사용하지만, 스터프리지(freedom)를 방지하기 위해 공정성 보장을 한다.
• K가 유한할 경우 오래된 버전을 회수하기 위해 별도의 가비지 컬렉션 메커니즘이 사용된다.
• 버전 기반 읽기 및 쓰기 연산을 통해 원자성과 격리성을 확보하며, 커밋 결정은 버전 일관성 검사 기반으로 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 버전 수를 지원하면서도 스터프리지(freedom)를 보장하는 다중 버전 STM 시스템을 설계할 수 있는가?
• RQ2 우선순위 기반 메커니즘에만 의존하지 않고도 버전 선택과 트랜잭션 진행에 대해 공정성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 버전 수 K의 변화가 트랜잭션 실행의 시스템 스루풋과 공정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 버전 수에 엄격한 제한을 두지 않으면서도 정확성과 스터프리지(freedom)를 유지할 수 있는가?
• RQ5 단일 버전 스터프리지(freedom) STM과 비교할 때, 제안된 알고리즘이 동시성과 진행 보장 측면에서 어떤가?

주요 결과

• KSFTM는 정확성과 스터프리지(freedom)를 공식적으로 증명한 최초의 다중 버전 STM 시스템으로, 문헌에서 중요한 격차를 메운다.
• 알고리즘은 1에서 무한대까지의 동적 K 값 지원을 통해 버전 관리 오버헤드와 동시성에 대한 응용 프로그램 기반 튜닝을 가능하게 한다.
• K = 1일 경우 KSFTM는 단일 버전 STM으로 축소되며, 이로 인해 기존 호환성이 유지된다.
• 고우선순위 트랜잭션이 느리더라도 공정한 스케줄러 하에서 모든 트랜잭션이 최종적으로 커밋됨을 보장한다.
• K가 유한할 경우 오래된 버전을 관리하고 무한한 메모리 증가를 방지하기 위해 별도의 가비지 컬렉션 메커니즘이 필요하다.
• 정확성과 스터프리지(freedom)에 대한 공식 증명이 수립되어, 동시성과 다중 코어 환경에서 알고리즘의 신뢰성을 확인한다.