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Transactional Memory Architectural Support for Lock-Free Data Structures

Transactional Memory Architectural Support for Lock-Free Data Structures. 2012.11.22 성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과 오영환 , 박효진. 목차. 기존의 방법론 (Lock, Lock-free 등 ) Transactional Memory(TM) 소개 Implementation of TM Simulation 결과 Conclusion & Limitation. 1.1 페이지 제목. 3 / 14.

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Presentation Transcript

  1. Transactional Memory Architectural Support for Lock-Free Data Structures 2012.11.22 성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과 오영환, 박효진

  2. 목차 기존의 방법론(Lock, Lock-free 등) Transactional Memory(TM) 소개 Implementation of TM Simulation 결과 Conclusion & Limitation

  3. 1.1 페이지 제목 3 / 14 Methodology of Keeping Data Consistency • Locking • 공유 자원의 Consistency를 유지하기 위해 서로 다른 프로세스의 동시 접근을 배타적으로 막는 방식(Lock, Mutex, Semaphore 등) • Lock-Free Algorithm • SW 알고리즘을 이용하여 기존의 Locking에서 발생하는 문제점을 해결하기 위해 만들어졌으나, 오히려 알고리즘 자체의 overhead가 늘어나서실용적으로 쓰이지 못함. • Transactional Memory(TM) • Lock-Free 알고리즘을 HW적으로 Support하여 overhead 를 낮추고 User 가 프로그램의 구현을 쉽게 하기 위해 고안됨.

  4. 1.1 페이지 제목 4 / 14 Locking 의 문제점 • Priority inversion • 낮은 우선순위의 프로세스가 Lock을 잡고 있는 경우에 높은 우선순위의 프로세스에의해 preempted되는 상황

  5. 1.1 페이지 제목 5 / 14 Locking 의 문제점 • Deadlock • 서로 엇갈려서 자원을 요청, 선점하는 교착 상태 • Convoying • 하나의 공유자원에 대해 다수의 프로세스가 쌓여있는 현상 자원1 선점 요청 Process - 2 Process - 1 자원2 요청 선점

  6. 1.1 페이지 제목 6 / 14 Lock-free Algorithm • Lock-Free Algorithm이란? • CAS 등의 Atomic한 Instruction을 사용하여 Mutex나 Semaphore 등의 Locking을 사용하지 않고, 공유자원의 consistency를 유지. • 대표적인 예, CAS : Compare and Swap • 주어진 메모리의 값을 읽어서 기존의 값과 Compare하고 일치하면, 메모리에 새로운 값을 Swap한다. 일치하지 않을 때는성공할 때까지 다시 시도한다. Do{ if( *sharedValue == knownValue ) *sharedValue = newValue; } while(!CAS (&sharedValue, knownValue, newValue));

  7. 1.1 페이지 제목 7 / 14 Transactional Memory • Transactional Memory 처리 과정 • 공유 데이터를 접근하는 프로세스가 하나라는 가정하에 일단 Access함. • TM 수행의 마지막 단계에서 다른 프로세서에 의해 공유 데이터가 바뀌었는지 확인한다. • 프로세스 간의 충돌이 없었으면 바로 메모리에 적용(Commit)하고, 충돌이 있었다면 과정을 취소한(Abort) 뒤, 앞서의 과정을 다시 수행(Rollback)한다. • 공유 데이터의 충돌 빈도가 실제론 매우 적을 것이라는 아이디어 (Simulation을 해보니 Rollback하는 경우는 드물다고 함. 오히려 LockVariable을 관리하는데 쓸데없는 overhead가 발생한다.) • Transactional Memory 와 Locking 방식의 차이점 • Locking : 잠금 -> 처리 -> 해제 • TM : 처리 -> 비교 -> 적용 or 롤백

  8. 1.1 페이지 제목 8 / 14 HW Supported Instruction Set • 제공하는 명령어 • LT : memory to Cache Read • LTX : memory to Cache Read with flag setting (수정 예정) • VALIDATE : 진행중인 Transaction이 Abort 되었는지 체크 • ST : LT/LTX로 읽어들인 데이터를 수정 후 Cache 에 Write • COMMIT : Transaction을 모두 수행한 뒤에 consistency 검사 후 TRUE 면 memory 에 write 하고, FALSE 면 ABORT • ABORT : 진행중인Transaction을 무효화 ( Cache 에 flag 만 invalid 해버리면 됨 )

  9. 1.1 페이지 제목 9 / 14 Implementation of TM • Cache Protocol • Non-transactional OP 사용을 고려하여 두가지 타입의 Cache Line을 사용함. • TM 캐쉬 Actions LT / LTX Commit Abort ST(DIRTY)

  10. 1.1 페이지 제목 10 / 14 Implementation of TM : Processor Action • Processor Flag bit • TACTIVE(TR in progress) • TSTATUS(TR active or aborted) bit • CPU에서 연산 시에 Cache Protocol과 상호작용, Consistency 유지 • 특징적인 점? • IntelHaswell: HTM(Restricted), TR 영역을 대괄호로 묶어 표시 • TR operation을 위한 몇 가지 HW supportedinstruction 제 (처음 TRop가 등장하는 구간부터 implicit하게 TR 영역으로) • High level 언어에 ST, LTX 등의 Assembly 명령어를 inline으로 껴넣듯이 구현

  11. 1.1 페이지 제목 11 / 14 Example : doubly linked list Part of Doubly-Linked List Benchmark

  12. 1.1 페이지 제목 12 / 14 Implementation of TM : Snoopy Cache • 기반 기술 : Snoopy Cache (Shared memory, Bus system) • Goodman’s SCP를 기본으로 Normal Cache 구현, TM Cache를 추가 • TM Cache : One-way associative cache • Normal Cache : Fully associative cache(상대적으로 작은 크기 때문)

  13. 1.1 페이지 제목 13 / 14 Implementation of TM : Architecture • 생각해볼 수 있는 구체적인 Architecture: P P P Cache : With Snooping! Memory(L2 $) Conflicting : Memory Transactional Memory 영역

  14. 1.1 페이지 제목 14 / 14 Simulation • Simulator • Proteus simulator(Eric Brewer, Chris Dellarocas, MIT) • Simulated Architecture • Goodman’s Snoopy protocol with Bus-Based system • Chaiken Directory-Based protocol • Using 32 multi-processor • Compared with various SW/HW schemes • i.e. spin lock based(TTS), lock variable queing, LL/SC operation

  15. 1.1 페이지 제목 15 / 14 Simulation

  16. 1.1 페이지 제목 16 / 14 Conclusion & Limitation • 쉬우면서도 뛰어난 성능의 멀티 프로그래밍 • 다른 lock based 알고리즘에 비해 효율적인 시뮬레이션 결과 (Negative -> Positive. 관점을 변화하여 Memory Access를 대폭 줄임) • 현재는 특정 영역을 Transaction이라 표시만 해두는 심플함 • Transaction의 한계 크기 • Cache Size에 영향을 받고, 큰 Transaction에 대해서는 오히려 성능 감소

  17. 1.1 페이지 제목 17 / 14 Reference [1] 멀티코어 강의자료, 한환수 교수님 강의자료 [2]네이버블로그, 백발의 개발자 http://blog.naver.com/jjoommnn?Redirect=Log&logNo=130038310489 [3]티스토리블로그, 김민장. 프로그래머가 몰랐던 멀티코어 이야기 저자 http://minjang.egloos.com/2907073 http://minjang.egloos.com/2313699

  18. 감사합니다

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