FGSCM: uma abordagem de omissão de lock transacional com granularidade fina na resolução de conflitos - Sousa, Gustavo José [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2017)
Omissão de lock é uma técnica onde operações de aquisição e liberação de lock são omitidas (especulação) de forma a permitir que regiões críticas compartilhando um mesmo lock possam executar concorrentemente, permitindo assim se explorar um nível maior de concorrência em programas que utilizam esse método popular de sincronização. Para se manter o princípio de atomicidade, as modificações no estado do programa realizadas pela região crítica são mantidas em um buffer interno e são efetivadas apenas ao fim da mesma. Em caso de inconsistências, diferentes políticas em como proceder são possíveis, o que diferencia as diversas abordagens de omissão de lock encontradas na literatura. Por exemplo, a abordagem original, Speculative Lock Elision (SLE), que é implementada no nível microarquitetural, recorre a adquirir o lock de forma tradicional quando uma especulação falha. Em algumas situações, esta política conservadora acaba por restringir o ganho em desempenho originalmente pretendido por impor um volume de sincronização desnecessário (lemming effect). Uma forma de superar tal limitação é o emprego de omissão de lock transacional (Transactional Lock Elision, em inglês), onde a especulação de regiões críticas se dá por meio de transações e o controle de execução é devolvido ao software em eventos de transações abortadas, o que permite que diferentes estratégias sejam empregadas com o objetivo de permitir execução concorrente mesmo em presença de falha de especulação. Neste contexto, uma das abordagens possíveis é o esquema chamado Software-assisted Conflict Management (SCM), onde um lock auxiliar é utilizado para sincronizar transações abortadas e, assim, manter o lock original livre, permitindo que outras transações prossigam sua execução. No presente trabalho, uma extensão ao SCM é proposta, o esquema Fine-grained Software-assisted Conflict Management (FGSCM), onde múltiplos locks são utilizados para permitir que transações abortadas por conflitos em diferentes regiões de memória possam ser executadas de forma concorrente. O algoritmo proposto foi implementado utilizando a interface RTM da extensão Intel® TSX e experimentos foram realizados em um máquina quadcore, para os quais, em casos com predominância de operações de leitura em memória, observou-se um ganho em desempenho médio de 11% e 36% com relação à abordagem SCM original e ao uso de um spin lock comum, respectivamente.

Lock elision is a technique that omits acquire/release lock operations (speculation) so as to allow critical regions sharing the same lock to run concurrently, which yields a higher level of concurrency explored by programs that use such popular synchronization mechanism. In order to honor atomicity, modifications on the program's state made by the critical regions are kept in an internal buffer and only applied at the end of the speculation. If inconsistency is found, different policies on how to proceed are possible, which make up the several existing approaches found in the literature. As an example, the original one, namely Speculative Lock Elision (SLE), which is implemented at the level of microarchitecture, falls back to acquire the lock in a standard manner when there is speculation error. In some situations, such conservative policy ends up restricting the intended performance gains due to the unnecessary synchronization imposed (lemming effect). A way to address this issue is through Transactional Lock Elision (TLE) techniques, in which speculation of critical regions is done by means of transactions and execution control is passed back to software on abort events, which makes possible the use of different strategies to allow concurrent execution even in presence of speculation error. In this context, one possible approach is called Software-assisted Conflict Management (SCM), where an auxiliary lock is used to serialize aborted transactions and, as such, keep the original one free, so that others may proceed on their execution. The work presented in this document proposes an extension of SCM, called Fine-grained Software-assisted Conflict Management (FGSCM), where multiple auxiliary locks are applied in order to allow transactions aborted due to conflict on different regions of memory to be executed concurrently. The proposed algorithm was implemented by using the RTM interface from Intel®'s TSX extension and experiments were performed on a quadcore machine. On read-dominated workloads, an average performance gain of 11% and 36% was observed against the original SCM and a typical spin lock, respectively.
FGSCM: a transactional lock elision approach with fine-grained conflict resolution
Keywords: Programação Concorrente; Omissão de Lock; Memória Transacional; Concurrent Programming; Lock Elision; Transactional Memory