[论文解读] Efficient Single Writer Concurrency.

Naama Ben-David, Guy E. Blelloch+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 43被引用 2

一句话总结

本文提出了一种基于多版本并发控制的无锁、单写者并发控制框架，确保严格可串行化、无事务回滚、具有有界步数复杂度的无等待性，以及精确的垃圾回收。通过强制纯函数式访问模式并高效维护版本，该框架实现了写者的低开销，以及在搜索索引和HTAP数据库等系统中向读者渐进式传播版本。

ABSTRACT

In this paper we consider single writer multiple reader concurrency - any number of transactions can atomically access shared data structures, but only one thread can atomically update the data. Limiting ourselves to a single writer allows us to achieve strong properties, some of which are not achievable with multiple writers. In particular, we guarantee strict serializability, no aborts, wait-freedom with strong bounds on step complexity, and precise garbage collection. Our approach is based on a variant of multiversion concurrency control. The user code accesses shared data in a purely functional manner. This allows each read to get a snapshot of the current database. The writer simply swaps in a new root to commit a new version. For garbage collection, we define the version maintenance problem and present efficient algorithms that solve it. This framework allows for very low overhead for maintaining and collecting multiple versions. The single-writer setup is particularly applicable to search indices, online graph analysis, and hybrid transactional/analytical processing (HTAP) databases, in which the bulk of the work is done by transactions that analyze the data. We have implemented the approach in C++ based on a parallel library PAM on balanced binary trees. We present results for two use cases: concurrent range-sum queries and a search index on a corpus. Both support adding new elements to the database. Experiments show that in both cases there is very little overhead when adding a single writer running in the background, while the queries can gradually get newly updated versions. Also, using our lock-free algorithm for version maintenance, the maximum live versions is bounded by the number of working transactions at the same time.

研究动机与目标

• 设计一种并发控制机制，确保在单写者、多读者场景下的强一致性和性能特性。
• 消除事务回滚，确保在并发访问共享数据结构时具有有界步数复杂度的无等待性。
• 通过高效解决版本维护问题，实现旧数据版本的精确垃圾回收。
• 在读操作占主导的系统（如搜索索引和分析型数据库）中，支持高性能、低开销的更新。
• 通过在范围求和查询和搜索索引工作负载上的实现与评估，证明该方法的实际可行性。

提出的方法

• 系统采用多版本并发控制的一种变体，其中读者访问数据结构的一致快照。
• 写者通过原子交换新根节点来提交更新，确保无锁环境下的版本一致性。
• 所有用户代码均以纯函数式风格运行，防止副作用，从而支持安全的快照读取。
• 一种无锁算法管理版本维护，追踪活跃版本并支持高效的垃圾回收。
• 该方法将活跃版本的最大数量限制为并发工作事务的数量。
• 实现基于C++并行库（PAM）构建于平衡二叉树之上，以支持高效的更新和查询。

实验结果

研究问题

• RQ1 单写者并发模型是否能在不发生事务回滚的情况下实现严格可串行化？
• RQ2 如何高效地执行版本维护，以在并发环境中支持精确的垃圾回收？
• RQ3 在高读取和单写者工作负载下，维护多个版本的性能开销如何？
• RQ4 该系统在实际中能否保证具有有界步数复杂度的无等待性？
• RQ5 该方法在真实工作负载（如范围求和查询和搜索索引更新）中可扩展性如何？

主要发现

• 系统实现了严格可串行化，并保证在高竞争环境下也不会发生事务回滚。
• 活跃版本的最大数量被限制为并发工作事务的数量，从而实现可预测的内存使用。
• 实验表明，后台写者的开销极低，查询逐渐接收更新的数据版本。
• 无锁版本维护算法确保了高效的垃圾回收，且不会阻塞或过度保留内存。
• 在范围求和查询和搜索索引工作负载中，系统保持了高吞吐量和低延迟的读取性能，同时更新成本极低。
• 纯函数式访问模式支持安全的无锁快照读取，不会引发数据竞争或一致性违规。