[论文解读] Maintaining Acyclicity of Concurrent Graphs

Sathya Peri, Muktikanta Sa+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2016

Distributed systems and fault tolerance参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文提出两种并发算法——基于无阻塞快照和无等待可达性检查——用于在并发更新下维护有向图的无环性。与粗粒度锁相比，该方法实现了显著的性能提升，支持高效、可扩展的图操作，同时保持无环不变性，这对数据库中的串行化图测试和事务内存等应用至关重要。

ABSTRACT

In this paper, we consider the problem of preserving acyclicity in a directed graph (for shared memory architecture) that is concurrently being updated by threads adding/deleting vertices and edges. To the best of our knowledge, no previous paper has presented a con- current graph data structure. We implement the concurrent directed graph data-structure as a concurrent adjacency list representation. We extend the lazy list implementation of concurrent linked lists for maintaining concurrent adjacency lists. There exists a number of graph applications which require the acyclic invariant in a directed graph. One such example is Serialization Graph Testing Algorithm used in databases and transactional memory. We present two concurrent algorithms for maintaining acyclicity in a concurrent graph: (i) Based on obstruction-free snapshots (ii) Using wait-free reachability. We compare the performance of these algorithms against the coarse-grained locking strategy, commonly used technique for allowing concurrent updates. We present the speedup obtained by these algorithms over sequential execution. As a future direction, we plan to extend this data structure for other progress conditions.

研究动机与目标

• 解决缺乏在并发更新下保持无环性的并发图数据结构的问题。
• 在多线程动态添加或删除顶点和边的共享内存系统中，实现高效、可扩展的图操作。
• 支持对无环不变性有严格要求的关键应用，如数据库中的串行化图测试和事务内存。
• 设计在并发访问下保证正确性、同时最小化阻塞和竞争的算法。

提出的方法

• 将懒惰链表方法扩展至实现有向图中的并发邻接表。
• 使用无阻塞快照检测并防止并发边插入过程中产生环。
• 采用无等待可达性检查验证无环性，避免阻塞，确保在高竞争环境下仍能推进。
• 实现并发邻接表表示，以线程安全的方式支持动态图更新。
• 集成轻量级且高效的环检测机制，实现实时无环性质验证。
• 以粗粒度锁为基线，评估性能，重点关注加速比和可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 无阻塞快照能否有效用于在并发有向图中维护无环性？
• RQ2 无等待可达性能否为并发图中的环检测提供可扩展的替代方案，以替代粗粒度锁？
• RQ3 所提出的算法在加速比和可扩展性方面与粗粒度锁相比表现如何？
• RQ4 在并发更新下维护无环性时，进度保证与性能之间的权衡是什么？

主要发现

• 所提出的算法相比串行执行实现了显著的加速，表现出在并发环境中的高可扩展性。
• 基于无阻塞快照的算法相比粗粒度锁减少了竞争，提升了吞吐量。
• 无等待可达性方法即使在高竞争环境下也能保证进度，提供更强的进度保证。
• 两种算法在并发顶点和边操作期间均成功维持了无环不变性。
• 性能评估证实，这些算法在可扩展性和响应能力方面优于粗粒度锁。
• 结果验证了构建高效并发图数据结构的可行性，该结构具备强正确性保证，可确保无环性。