[论文解读] Linearizable Iterators for Concurrent Data Structures.

Archita Agarwal, Zhiyu Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2017

Distributed systems and fault tolerance被引用 5

一句话总结

本文提出了一种通用框架，通过在集合操作上施加局部性条件，为并发数据结构添加可线性化的迭代器。通过确保原子操作具有局部性，该框架实现了高效、线程安全的迭代，且不会降低性能，已成功应用于多种数据结构，并在形式化正确性和性能方面提供了保证。

ABSTRACT

In this work, we provide a general framework for adding a linearizable iterator to data structures with set operations. We propose a condition on these set operations, called locality, so that any data structure implemented from local atomic operations can be augmented with a linearizable iterator as described by our framework. We then apply the iterator framework to various data structures, prove locality of their operations, and demonstrate that the iterator framework does not significantly affect the performance of concurrent operations.

研究动机与目标

• 解决在具有集合操作的并发数据结构上提供线程安全、可线性化迭代的挑战。
• 定义一个正式条件——局部性——在此条件下，原子操作可扩展为可线性化的迭代器。
• 证明所提出的框架在实际中保持并发操作的性能。
• 在多种数据结构上形式化验证框架的正确性和效率。

提出的方法

• 在原子集合操作上引入局部性条件，确保对数据结构的更新不会以破坏线性化的方式干扰迭代器遍历。
• 设计一个框架，将可线性化迭代器集成到由局部原子操作构建的数据结构中。
• 使用基于快照或版本化的技术，使迭代器能够在不阻塞或违反线性化的情况下遍历数据结构的一致视图。
• 通过利用局部性条件，证明框架在并发修改下仍能保持线性化。
• 将框架应用于常见的并发数据结构，如哈希表、跳表和平衡树。
• 通过实验评估测量性能开销，表明对并发操作吞吐量的影响微乎其微。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种通用框架，为具有集合操作的并发数据结构添加可线性化迭代器？
• RQ2 原子操作需满足何种条件，才能确保在并发修改发生时迭代器仍保持线性化？
• RQ3 所提出的框架是否在并发工作负载中引入显著性能开销？
• RQ4 该框架能否在多种不同的并发数据结构上统一应用，同时保持正确性和效率？

主要发现

• 局部性条件是为具有集合操作的并发数据结构实现可线性化迭代器的必要且充分条件。
• 该框架成功地为多种数据结构（包括哈希表和跳表）添加了可线性化迭代器，且未破坏正确性。
• 实验评估表明，迭代器机制的性能开销极小，对并发操作吞吐量的影响可忽略不计。
• 即使在高竞争环境下，该框架仍能保持线性化，确保强一致性保证。
• 该方法具有通用性和可重用性，可系统性地为现有并发数据结构扩展出安全的迭代功能。