Transactional Memory: Architectural Support for Lock-Free Data Structures

Abstract

transactional memory 是一种新的多处理器架构,主要是为了高效实现无锁同步,并像以往基于锁的方案一样可靠。

1. Introduction

无锁数据结构的含义是指数据结构上的操作不需要互斥。无锁可以避免在高并发系统中出现的一些因为锁竞争带来的问题:

  • 优先级反转。一个高优先级的进程需要一把被低优先级的进程锁持有的锁,导致高优先级的进程反而排在低优先级的进程的后面。
  • Convoying。持有锁的进程因为某种原因失去被 CPU 执行,进入 ready 队列或 wait 队列,而其它需要锁的进程也因为拿不到锁而无法执行。
  • 死锁。 无顺序请求多个锁可能导致死锁。

软件层面实现的无锁数据结构,有个新的问题:在上述问题不存在的时候,额外带来的开销反而导致性能没有基于锁的传统方案好。这个很好理解,无锁必定会有一些额外的机制,这个机制在竞争不强的时候,相比于加锁/解锁操作反而效率更低。

2. Transactional Memory

这里的 transaction 定义有点不一样:单进程执行的一个有穷机器指令序列,满足:

  • Serializability: 有点类似于 sequential consistency 的概念,执行过程中,transaction 的各步不会与其它事务交错。不同的处理器观察到已提交的事务都是相同的执行顺序。

这里不确定是严格意义上的不准交错,还是允许重排,但是对外表现出不交错。

  • Atomicity: 原子性,这个好理解

假设一个进程一个时间点只执行一个事务。虽然这个假设模型可以扩展以支持 overlapping 也即交错,或逻辑嵌套事务,但是作者认为没有实际业务场景需要这样。

感觉这个有点牵强?overlapping 后处理器可以更好的并行啊,嵌套事务在 Spring 中用的还算多。

2.1 Instructions

  • Load-transactional (LT)
    读一个共享内存的地址到一个私有寄存器里
  • Load-transactional-exclusive (LTX)
    读一个共享内存的地址到一个私有寄存器里,hinting (提示)这个地址可能被更新
  • Store-transactional (ST)
    临时将一个私有寄存器里的值写到共享内存里。这个新值直到事务成功提交后才对核可见。

这种可见性是怎么实现的?

一个事务的 read set 是 LT 读到的所有地址集合,write set 是 LTX 或 ST 访问的所有地址集合,data set 是 read set 并上 write set。
transactional memory 还提供如下指令来操作事务状态:

  • Commit 尝试使事务的临时修改持久化。成功的条件是 data set 里的每个地址没有被任何其它事务修改,write set 没有被任何其它事务读过。也就是说,保证每个事务的隔离性,同时不产生脏读。只有成功后,修改的内容才会对其它处理器可见,否则,所有临时修改并不会持久化。
  • Abort 手动关闭一个事务,让其失败。
  • Validate 测试当前事务的状态是否已经 aborted。

以往操作内存只能一次操作一个 word,通过组合这些指令,可以对任意范围的内存提供自定义的 read-modify-write 操作,也即事务访问内存。作者也提供非事务的内存访问指令,load 和 store。
文中没有阐明一下几个问题:

  • 事务和非事务访问同一个地址时,怎样交互

注释中提了一个方案,就是把 load 和 store 也当作一个事务,且这个事务永远会 commit,如果检测到冲突就 abort。

  • 具体什么情况下会导致事务提交失败,而把具体实现交给开发人员自己定义,比如 page falut, context switches, 或者违背了 serialization。

2.2 Intended Use

主要是替换一些 短临界区。基于锁访问临界区的流程一般是:申请获取锁,做一些工作,释放锁。而基于 transactional memory 的无锁算法是:

  1. 用 LT 或 LTX 读一些要操作的变量的地址。
  2. 用 Validate 检查是否一切 OK 可以继续。如果失败,回到1。
  3. 用 ST 来修改这些地址
  4. 用 Commit 尝试提交这些修改。如果失败,回到1。

复杂点的事务可能需要排列组合一下 LT 和 Validate,如果竞争很高,最好加个 backoff 策略即回退,这个策略很常见,如以太网中用的二进制指数回退。

Validate 指令源于对软件工程的考虑。
orphan 孤儿事务是指在被 abort 掉之后继续执行的事务(比如 read set 被其它已提交事务给改了)。如前面提到的算法所示,4 失败后会回到 1 重来,如果没有 2 步骤,这就是个死循环。虽然孤儿事务不会被提交,但是可能会遇到一些访问到一些非正常的错误。比如,本来按原程序的逻辑,绝对不会出现除以 0 的情况的,但是因为 data set 被改了,这个时候处以 0 了,就会出错。或者覆写了一个不属于它的地址。
很难去检测到孤儿事务,因为不清楚尝试有限次后会退出还是永远不会。

Implementation

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