Architectural and Compiler Support for Strongly Atomic Transactional Memory

7/29/2019 Architectural and Compiler Support for Strongly Atomic Transactional Memory

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Architectural and Compiler Support for

Strongly Atomic Transactional Memoryb y

C . S c o t t A n a n i a n

M . S c E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d C o m p u t e r S c i e n c e ,

M a s s a c h u s e t t s I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , 1 9 9 9 ;

B . S . E . E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,

P r i n c e t o n U n i v e r s i t y , 1 9 9 7 .

S u b m i t t e d t o t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d C o m p u t e r

S c i e n c e i n p a r t i a l f u l l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D o c t o r

o f P h i l o s o p h y i n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d C o m p u t e r S c i e n c e a t t h e

M a s s a c h u s e t t s I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y .

M a y 2 5 , 2 0 0 7

C o p y r i g h t 2 0 0 7 M a s s a c h u s e t t s I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y .

A l l r i g h t s r e s e r v e d .

A u t h o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d C o m p u t e r S c i e n c e

M a y 2 5 , 2 0 0 7

C e r t i e d b y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

M a r t i n R i n a r d

P r o f e s s o r o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g

T h e s i s S u p e r v i s o r

A c c e p t e d b y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

A r t h u r C . S m i t h

C h a i r m a n , D e p a r t m e n t C o m m i t t e e o n G r a d u a t e T h e s e s


2/214

2


3/214

A r c h i t e c t u r a l a n d C o m p i l e r S u p p o r t f o r S t r o n g l y A t o m i c T r a n s a c t i o n a l

M e m o r y

b y


S u b m i t t e d t o t h e

D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d C o m p u t e r S c i e n c e

M a y 2 5 , 2 0 0 7

I n p a r t i a l f u l l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e D e g r e e o f D o c t o r o f P h i l o s o p h y

i n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d C o m p u t e r S c i e n c e .

AbstractT r a n s a c t i o n s a r e g a i n i n g g r o u n d a s a p r o g r a m m e r - f r i e n d l y m e a n s o f e x -

p r e s s i n g c o n c u r r e n c y , a s m i c r o a r c h i t e c t u r e t r e n d s m a k e i t c l e a r t h a t p a r a l l e l

s y s t e m s a r e i n o u r f u t u r e . T h i s t h e s i s p r e s e n t s t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n -

t a t i o n o f f o u r e c i e n t a n d p o w e r f u l t r a n s a c t i o n s y s t e m s : A p e X , a n o b j e c t -

o r i e n t e d s o f t w a r e - o n l y s y s t e m ; U T M a n d L T M , t w o s c a l a b l e s y s t e m s u s i n g

c u s t o m p r o c e s s o r e x t e n s i o n s ; a n d H y A p e X , a h y b r i d o f t h e s o f t w a r e a n d

h a r d w a r e s y s t e m s , o b t a i n i n g t h e b e n e t s o f b o t h .

T h e s o f t w a r e t r a n s a c t i o n s y s t e m i m p l e m e n t s s t r o n g a t o m i c i t y , w h i c h

e n s u r e s t h a t t r a n s a c t i o n s a r e p r o t e c t e d f r o m t h e i n u e n c e o f n o n t r a n s a c -

t i o n a l c o d e . P r e v i o u s s o f t w a r e s y s t e m s u s e w e a k e r a t o m i c i t y g u a r a n t e e s

b e c a u s e s t r o n g a t o m i c i t y i s p r e s u m e d t o b e t o o e x p e n s i v e . I n t h i s t h e s i s

s t r o n g a t o m i c i t y i s o b t a i n e d w i t h m i n i m a l s l o w d o w n f o r n o n t r a n s a c t i o n a l

c o d e . C o m p i l e r a n a l y s e s c a n f u r t h e r i m p r o v e t h e e c i e n c y o f t h e m e c h a -

n i s m , w h i c h h a s b e e n f o r m a l l y v e r i e d w i t h t h e S p i n m o d e l - c h e c k e r .

T h e l o w o v e r h e a d o f A p e X a l l o w s i t t o b e p r o t a b l y c o m b i n e d w i t h a

h a r d w a r e t r a n s a c t i o n s y s t e m t o p r o v i d e f a s t e x e c u t i o n o f s h o r t a n d s m a l l

t r a n s a c t i o n s , w h i l e a l l o w i n g f a l l b a c k t o s o f t w a r e f o r l a r g e o r c o m p l i c a t e d

t r a n s a c t i o n s . I p r e s e n t U T M , a h a r d w a r e t r a n s a c t i o n a l m e m o r y s y s t e m a l -

l o w i n g u n b o u n d e d v i r t u a l i z a b l e t r a n s a c t i o n s , a n d s h o w h o w a h y b r i d s y s t e m

c a n b e o b t a i n e d .

T h e s i s S u p e r v i s o r : M a r t i n R i n a r d

T i t l e : P r o f e s s o r o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g

3


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Acknowledgments

I w o u l d l i k e t o t h a n k m y a d v i s o r M a r t i n R i n a r d f o r h i s i n n i t e p a t i e n c e ,

a n d f o r h i s g u i d a n c e a n d s u p p o r t . I w o u l d l i k e t o t h a n k T o m K n i g h t f o r

p o i n t i n g m e i n t h e d i r e c t i o n o f t r a n s a c t i o n a l m e m o r y m a n y y e a r s a g o , a n d

C h a r l e s L e i s e r s o n , B r a d l e y K u s z m a u l , K r s t e A s a n o v i c , a n d S e a n L i e f o r t h e

o p p o r t u n i t y t o c o l l a b o r a t e o n o u r h a r d w a r e t r a n s a c t i o n a l m e m o r y r e s e a r c h .

A l i s t o f t h a n k s w o u l d n o t b e c o m p l e t e w i t h o u t m y \ o c e m a t e s " ( r e a l o r

v i r t u a l ) w h o m a d e m y y e a r s a t L C S a n d C S A I L s o e n j o y a b l e : M a r i a - C r i s t i n a

M a r i n e s c u ( # 2 ) , R a d u R u g i n a ( # 3 ) , D a r k o M a r i n o v ( # 5 ) , B r i a n D e m s k y

( # 6 ) , A l e x S a l c i a n u ( # 7 ) , K a r e n Z e e ( # 8 ) , P a t r i c k L a m ( # 1 0 ) , V i k t o r

K u n c a k ( # 1 1 ) , A m y W i l l i a m s ( # 1 3 ) , a n d A n g e l i n a L e e ( w h o s o m e h o w h a s

n o n u m b e r ) .

M y m o t h e r , C y n d y B e r n o t a s , w a i t e d a l o n g t i m e f o r t h i s t h e s i s t o b e

c o m p l e t e . M y b r o t h e r , C h r i s A n a n i a n , p r o t e d b y t h e d e l a y a n d b e c a m e

t h e r s t D r . A n a n i a n | b u t d i d n ' t r u b i t i n t o o m u c h . J e s s i c a W o n g a n d

K a t h y P e t e r p u t u p w i t h m y i n d e n i t e s t u d e n t h o o d . T h a n k y o u .


C a m b r i d g e , M a s s a c h u s e t t s

M a y 2 0 0 7

4


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Contents

1 Introduction 13

1 . 1 T h e r i s i n g c h a l l e n g e o f m u l t i c o r e s y s t e m s . . . . . . . . . . . 1 3

1 . 2 A d v a n t a g e s o f t r a n s a c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4

1 . 3 U n l i m i t e d t r a n s a c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5

1 . 4 S t r o n g a t o m i c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7

1 . 5 S u m m a r y o f c o n t r i b u t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7

2 Transactional programming: The good, bad, and the ugly 21

2 . 1 F o u r o l d t h i n g s y o u c a n ' t ( e a s i l y ) d o w i t h l o c k s . . . . . . . . 2 1

2 . 2 F o u r n e w t h i n g s t r a n s a c t i o n s m a k e e a s y . . . . . . . . . . . . 2 4

2 . 3 S o m e t h i n g s w e s t i l l c a n ' t ( e a s i l y ) d o . . . . . . . . . . . . . . 3 1

3 Designing a software transaction system 33

3 . 1 F i n d i n g t r a n s a c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3

3 . 2 D e s i g n g o a l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9

3 . 2 . 1 W e a k v s . s t r o n g a t o m i c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9

3 . 2 . 2 O b j e c t - o r i e n t e d v s . a t T M . . . . . . . . . . . . . . . 3 9

3 . 2 . 3 T o l e r a b l e l i m i t s f o r o b j e c t e x p a n s i o n . . . . . . . . . . 4 0

3 . 2 . 4 R e a d s v s . w r i t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2

3 . 2 . 5 T h e b i g i d e a : W a v i n g F L A G s . . . . . . . . . . . . . . 4 3

3 . 3 S p e c i f y i n g t h e b a s i c m e c h a n i s m . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3

3 . 3 . 1 O b j e c t s t r u c t u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4

3 . 3 . 2 O p e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7

5


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C O N T E N T S

4 ApeX implementation: Efficient software transactions 57

4 . 1 T h e F l e x c o m p i l e r i n f r a s t r u c t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7

4 . 2 T r a n s f o r m i n g s y n c h r o n i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1

4 . 2 . 1 M e t h o d t r a n s f o r m a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1

4 . 2 . 2 A n a l y s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3

4 . 2 . 3 D e s u g a r i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4

4 . 3 R u n t i m e s y s t e m i m p l e m e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5

4 . 3 . 1 I m p l e m e n t i n g t h e J a v a N a t i v e I n t e r f a c e . . . . . . . . 6 6

4 . 3 . 2 P r e p r o c e s s o r s p e c i a l i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . 6 8

4 . 4 L i m i t a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1

4 . 4 . 1 S t a t i c e l d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2

4 . 4 . 2 C o a r s e - g r a i n e d L L / S C . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2

4 . 4 . 3 H a n d l i n g s u b w o r d a n d m u l t i w o r d r e a d s / w r i t e s . . . . 7 4

4 . 4 . 4 C o n d i t i o n v a r i a b l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6

4 . 5 A d d i t i o n a l o p t i m i z a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 0

5 ApeX performance 83

5 . 1 P e r f o r m a n c e l i m i t s f o r n o n t r a n s a c t i o n a l c o d e . . . . . . . . . 8 4

5 . 2 F u l l a p p l i c a t i o n b e n c h m a r k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3

5 . 2 . 1 N o n t r a n s a c t i o n a l c h e c k o v e r h e a d . . . . . . . . . . . . 9 3

5 . 2 . 2 T r a n s a c t i o n o v e r h e a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9

5 . 3 P e r f o r m a n c e r e c o m m e n d a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3

6 Arrays and large objects 107

6 . 1 B a s i c o p e r a t i o n s o n f u n c t i o n a l a r r a y s . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8

6 . 2 A s i n g l e - o b j e c t p r o t o c o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 0

6 . 3 E x t e n s i o n t o m u l t i p l e o b j e c t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1

6 . 4 L o c k - f r e e f u n c t i o n a l a r r a y s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6

6 . 5 P e r f o r m a n c e o f f u n c t i o n a l a r r a y i m p l e m e n t a t i o n s . . . . . . . 1 2 4

6


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C O N T E N T S

7 Transactions in hardware: Unbounded Transactional Mem-

ory 129

7 . 1 T h e U T M a r c h i t e c t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 9

7 . 1 . 1 N e w i n s t r u c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 0

7 . 1 . 2 R o l l i n g b a c k p r o c e s s o r s t a t e . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 1

7 . 1 . 3 M e m o r y s t a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2

7 . 1 . 4 C a c h i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 7

7 . 1 . 5 S y s t e m i s s u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 8

7 . 2 T h e L T M a r c h i t e c t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 9

7 . 3 E v a l u a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2

7 . 3 . 1 S c a l a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2

7 . 3 . 2 O v e r h e a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 4

7 . 3 . 3 O v e r o w s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 5

7 . 4 A h y b r i d t r a n s a c t i o n i m p l e m e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . 1 4 6

8 Challenges 151

8 . 1 P e r f o r m a n c e i s o l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 1

8 . 2 P r o g r e s s g u a r a n t e e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2

8 . 3 T h e s e m a n t i c g a p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 3

8 . 4 I / O m e c h a n i s m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 4

8 . 4 . 1 F o r b i d d i n g I / O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 5

8 . 4 . 2 M u t u a l e x c l u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 5

8 . 4 . 3 P o s t p o n i n g I / O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 6

8 . 4 . 4 I n t e g r a t i n g d o / u n d o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 6

8 . 5 O S i n t e r a c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 8

8 . 6 R e c o m m e n d a t i o n s f o r f u t u r e w o r k . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 9

9 Related work 161

9 . 1 N o n b l o c k i n g s y n c h r o n i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 1

9 . 2 E c i e n c y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2

9 . 3 T r a n s a c t i o n a l m e m o r y s y s t e m s . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 5

9 . 4 L a n g u a g e - l e v e l a p p r o a c h e s t o s y n c h r o n i z a t i o n . . . . . . . . . 1 6 8

7


8/214

C O N T E N T S

10 Conclusion 173

A Model-checking the software implementation 175

A . 1 P r o m e l a p r i m e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 7

A . 2 S p i n m o d e l f o r s o f t w a r e t r a n s a c t i o n s y s t e m . . . . . . . . . . 1 7 9

B Compiler and runtime system configurations 197

Bibliography 201

8


9/214

List of Figures

2 . 1 D e s t r u c t i v e l i n k e d - l i s t t r a v e r s a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5

2 . 2 A s i m p l e b a c k t r a c k i n g r e c u r s i v e - d e c e n t p a r s e r . . . . . . . . . 2 7

3 . 1 T r a n s a c t i c a t i o n o f S P E C j v m 9 8 b e n c h m a r k s u i t e . . . . . . . 3 5

3 . 2 C l a s s i c a t i o n o f S P E C j v m 9 8 b e n c h m a r k s i n t o q u a d r a n t s b a s e d

o n t r a n s a c t i o n p r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

3 . 3 D i s t r i b u t i o n o f t r a n s a c t i o n s i z e i n t h e S P E C j v m 9 8 b e n c h -

m a r k s u i t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

3 . 4 A p p l i c a t i o n s l o w d o w n w i t h i n c r e a s i n g o b j e c t b l o a t f o r t h e

S P E C j v m 9 8 b e n c h m a r k a p p l i c a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

3 . 5 C o m p a r i s o n o f l o a d s a n d s t o r e s i n s i d e t r a n s a c t i o n s f o r t h e

S P E C j v m 9 8 b e n c h m a r k s u i t e , f u l l i n p u t r u n s . . . . . . . . . . 4 2

3 . 6 I m p l e m e n t i n g s o f t w a r e t r a n s a c t i o n s w i t h v e r s i o n l i s t s . . . . . 4 5

3 . 7 D e c l a r i n g o b j e c t s w i t h v e r s i o n l i s t s i n P r o m e l a . . . . . . . . . 4 6

3 . 8 P r o m e l a s p e c i c a t i o n o f n o n t r a n s a c t i o n a l r e a d a n d w r i t e o p -

e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8

3 . 9 F i r s t h a l f o f t h e e l d c o p y - b a c k r o u t i n e . . . . . . . . . . . . . 5 0

3 . 1 0 F i n a l p o r t i o n o f t h e e l d c o p y - b a c k r o u t i n e . . . . . . . . . . . 5 1

3 . 1 1 P r o m e l a s p e c i c a t i o n o f t r a n s a c t i o n a l r e a d a n d w r i t e o p e r a -

t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3

3 . 1 2 T h e p e r - o b j e c t v e r s i o n - s e t u p r o u t i n e f o r t r a n s a c t i o n a l w r i t e s . 5 4

3 . 1 3 T h e p e r - e l d c o p y - t h r o u g h r o u t i n e f o r t r a n s a c t i o n a l w r i t e s . . 5 5

9


10/214

L I S T O F F I G U R E S

4 . 1 S p e e d c o m p a r i s o n o f e x c e p t i o n r e t u r n t e c h n i q u e s f o r S P E C j v m 9 8

b e n c h m a r k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0

4 . 2 S o f t w a r e t r a n s a c t i o n t r a n s f o r m a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . 6 1

4 . 3 A p o r t i o n o f t h e J a v a N a t i v e I n t e r f a c e . . . . . . . . . . . . . 6 7

4 . 4 S p e c i a l i z i n g t r a n s a c t i o n p r i m i t i v e s b y e l d s i z e a n d o b j e c t

t y p e ( readwrite.c

) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 9


t y p e ( readwrite-impl.c ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0


t y p e ( preproc.h ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0

4 . 7 S t a t i c e l d t r a n s f o r m a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2

4 . 8 N o n t r a n s a c t i o n a l w r i t e t o s m a l l ( s u b w o r d ) e l d . . . . . . . . . 7 6

4 . 9 D r o p b o x e x a m p l e i l l u s t r a t i n g t h e u s e o f c o n d i t i o n v a r i a b l e s

i n J a v a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7

5 . 1 C o u n t e r m i c r o b e n c h m a r k t o e v a l u a t e r e a d - a n d w r i t e - c h e c k

o v e r h e a d f o r n o n t r a n s a c t i o n a l c o d e . . . . . . . . . . . . . . . . 8 5

5 . 2 C i m p l e m e n t a t i o n o f r e a d c h e c k s f o r c o u n t e r m i c r o b e n c h m a r k . 8 5

5 . 3 C i m p l e m e n t a t i o n o f w r i t e c h e c k s f o r c o u n t e r m i c r o b e n c h m a r k . 8 6

5 . 4 C h e c k o v e r h e a d f o r c o u n t e r m i c r o b e n c h m a r k . . . . . . . . . 8 8

5 . 5 P o w e r P C a s s e m b l y f o r c o u n t e r m i c r o b e n c h m a r k w i t h w r i t e

c h e c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0

5 . 6 O p t i m i z e d P o w e r P C a s s e m b l y f o r c o u n t e r m i c r o b e n c h m a r k

w i t h b o t h r e a d a n d w r i t e c h e c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1

5 . 7 C h e c k o v e r h e a d a s p e r c e n t a g e o f t o t a l d y n a m i c i n s t r u c t i o n

c o u n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2

5 . 8 N o n t r a n s a c t i o n a l c h e c k o v e r h e a d f o r S P E C j v m 9 8 . . . . . . . . 9 4

5 . 9 R e a d a n d w r i t e r a t e s f o r S P E C j v m 9 8 . . . . . . . . . . . . . . 9 5

5 . 1 0 A c t u a l v e r s u s p r e d i c t e d n o n t r a n s a c t i o n a l c h e c k o v e r h e a d . . . 9 6

5 . 1 1 N u m b e r o f f a l s e a g s r e a d / w r i t t e n i n S P E C j v m 9 8 b e n c h m a r k s . 9 6

5 . 1 2 T r a n s a c t i o n o v e r h e a d f o r S P E C j v m 9 8 . . . . . . . . . . . . . . 1 0 0

1 0


11/214


5 . 1 3 T r a n s a c t i o n , c a l l , a n d n o n t r a n s a c t i o n a l r e a d a n d w r i t e r a t e s

f o r S P E C j v m 9 8 b e n c h m a r k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3

5 . 1 4 T r a n s a c t i o n p e r f o r m a n c e m o d e l i n p u t s f o r S P E C j v m 9 8 b e n c h -

m a r k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 4

6 . 1 P r o p o r t i o n o f t r a n s a c t i o n a l w r i t e s t o o b j e c t s e q u a l t o o r s m a l l e r

t h a n a g i v e n s i z e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8

6 . 2 I m p l e m e n t i n g n o n b l o c k i n g s i n g l e - o b j e c t c o n c u r r e n t o p e r a t i o n s

w i t h f u n c t i o n a l a r r a y s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 0

6 . 3 D a t a s t r u c t u r e s t o s u p p o r t n o n b l o c k i n g m u l t i o b j e c t c o n c u r -

r e n t o p e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2

6 . 4 R e a d a n d R e a d T i m p l e m e n t a t i o n s f o r t h e m u l t i o b j e c t p r o -

t o c o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3

6 . 5 W r i t e a n d W r i t e T i m p l e m e n t a t i o n s f o r t h e m u l t i o b j e c t

p r o t o c o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 4

6 . 6 S h a l l o w b i n d i n g s c h e m e f o r f u n c t i o n a l a r r a y s . . . . . . . . . . 1 1 7

6 . 7 A t o m i c s t e p s i n F A - R o t a t e (B). . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 0

6 . 8 I m p l e m e n t a t i o n o f l o c k - f r e e f u n c t i o n a l a r r a y u s i n g s h a l l o w

b i n d i n g a n d r a n d o m i z e d c u t s ( p a r t 1 ) . . . . . . . . . . . . . . 1 2 1

6 . 9 I m p l e m e n t a t i o n o f l o c k - f r e e f u n c t i o n a l a r r a y u s i n g s h a l l o w

b i n d i n g a n d r a n d o m i z e d c u t s ( p a r t 2 ) . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2

6 . 1 0 A r r a y r e v e r s a l m i c r o b e n c h m a r k t o e v a l u a t e p e r f o r m a n c e o f

f u n c t i o n a l a r r a y i m p l e m e n t a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 4

6 . 1 1 F u n c t i o n a l a r r a y p e r f o r m a n c e o n a n a r r a y r e v e r s a l m i c r o b e n c h -

m a r k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 6

7 . 1 U T M p r o c e s s o r m o d i c a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 4

7 . 2 T h e x s t a t e d a t a s t r u c t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5

7 . 3 L T M c a c h e m o d i c a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1

7 . 4 Counter p e r f o r m a n c e o n U V S I M . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 3

7 . 5 S P E C j v m 9 8 p e r f o r m a n c e o n a 1 - p r o c e s s o r U V S I M s i m u l a t i o n . 1 4 7

7 . 6 H y b r i d p e r f o r m a n c e o n s i m p l e q u e u e b e n c h m a r k . . . . . . . . 1 4 7

1 1


12/214


9 . 1 A d i r e c t o r y o b j e c t i n E m e r a l d , i l l u s t r a t i n g t h e u s e o f m o n i t o r

s y n c h r o n i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 9

9 . 2 A s i m p l e b a n k a c c o u n t o b j e c t i l l u s t r a t i n g t h e u s e o f t h e atomic

m o d i e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 0

1 2


13/214

[ P a r a l l e l p r o g r a m m i n g ] i s h a r d .

T e e n T a l k B a r b i e

( a p o c r y p h a l )

Chapter 1

Introduction

H o w c a n w e f u l l y u t i l i z e t h e c o m i n g g e n e r a t i o n o f p a r a l l e l s y s t e m s ? T h e

p r i m i t i v e s a v a i l a b l e t o t o d a y ' s p r o g r a m m e r s a r e l a r g e l y i n a d e q u a t e . Trans-

actions h a v e b e e n p r o p o s e d a s a n a l t e r n a t i v e t o t h e e x i s t i n g m e c h a n i s m s

f o r e x p r e s s i n g c o n c u r r e n c y a n d s y n c h r o n i z a t i o n , b u t c u r r e n t i m p l e m e n t a -

t i o n s o f t r a n s a c t i o n s a r e e i t h e r t o o l i m i t e d o r t o o i n e c i e n t f o r g e n e r a l u s e .

T h i s t h e s i s p r e s e n t s t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f e c i e n t a n d p o w e r f u l

t r a n s a c t i o n s y s t e m s t o h e l p a d d r e s s t h e c h a l l e n g e s p o s e d b y c u r r e n t t r e n d s

i n c o m p u t i n g h a r d w a r e .

1.1 The rising challenge of multicore systems

P r o c e s s o r t e c h n o l o g y i s n e a r i n g i t s l i m i t s : e v e n t h o u g h t r a n s i s t o r q u a n t i t i e s

c o n t i n u e t o g r o w e x p o n e n t i a l l y , w e a r e n o w u n a b l e t o e e c t i v e l y h a r n e s s

t h o s e v a s t q u a n t i t i e s o f t r a n s i s t o r s t o c r e a t e s p e e d i e r s i n g l e p r o c e s s o r s . T h e

s m a l l e r t r a n s i s t o r s y i e l d r e l a t i v e l y s l o w e r s i g n a l p r o p a g a t i o n t i m e s , d o o m -

i n g a t t e m p t s t o c r e a t e a s i n g l e s y n c h r o n i z e d p r o c e s s o r f r o m a l l o f t h o s e r e -

s o u r c e s . I n s t e a d , h a r d w a r e m a n u f a c t u r e r s a r e p r o v i d i n g t i g h t l y i n t e g r a t e d

multicore s y s t e m s w h i c h i n t e g r a t e m u l t i p l e p a r a l l e l p r o c e s s o r s o n o n e c h i p .

T h e w i d e s p r e a d a d o p t i o n o f p a r a l l e l s y s t e m s c r e a t e s p r o b l e m s : h o w c a n

w e e n s u r e t h a t o p e r a t i o n s o c c u r i n a n a p p r o p r i a t e o r d e r ? H o w c a n w e

1 3


14/214

C H A P T E R 1 . I N T R O D U C T I O N

e n s u r e c e r t a i n o p e r a t i o n s o c c u r a t o m i c a l l y , s o t h a t o t h e r c o m p o n e n t s o f

t h e p a r a l l e l s y s t e m o n l y o b s e r v e d a t a s t r u c t u r e s i n w e l l - d e n e d s t a t e s ?

A t o m i c i t y i n s h a r e d - m e m o r y m u l t i p r o c e s s o r s i s c o n v e n t i o n a l l y p r o v i d e d

v i a m u t u a l - e x c l u s i o n locks ( s e e , f o r e x a m p l e , [ 9 3 , p . 3 5 ] ) . A l t h o u g h l o c k s

a r e e a s y t o i m p l e m e n t u s i n g t e s t - a n d - s e t , c o m p a r e - a n d - s w a p , o r l o a d - l i n k e d /

s t o r e - c o n d i t i o n a l i n s t r u c t i o n s , t h e y i n t r o d u c e a h o s t o f d i c u l t i e s . P r o t o c o l s

t o a v o i d d e a d l o c k w h e n l o c k i n g m u l t i p l e o b j e c t s o f t e n i n v o l v e a c q u i r i n g t h e

l o c k s i n a c o n s i s t e n t l i n e a r o r d e r , m a k i n g p r o g r a m m i n g w i t h l o c k s e r r o r -

p r o n e a n d i n t r o d u c i n g s i g n i c a n t t i m e a n d s p a c e o v e r h e a d s i n t h e r e s u l t i n g

c o d e . T h e g r a n u l a r i t y o f e a c h l o c k m u s t a l s o b e e x p l i c i t l y c h o s e n , a s l o c k s

t h a t a r e t o o n e i n t r o d u c e u n n e c e s s a r y s p a c e a n d t i m e o v e r h e a d , w h i l e l o c k s

t h a t a r e t o o c o a r s e s a c r i c e a t t a i n a b l e p a r a l l e l i s m ( o r m a y e v e n d e a d l o c k ) .

E v e r y a c c e s s t o a s h a r e d o b j e c t m u s t h o l d s o m e l o c k p r o t e c t i n g t h a t o b j e c t ,

r e g a r d l e s s o f w h e t h e r a n o t h e r t h r e a d i s a c t u a l l y a t t e m p t i n g t o a c c e s s t h e

s a m e o b j e c t .

1.2 Advantages of transactions

Transactionsa r e a n a l t e r n a t i v e m e a n s o f p r o v i d i n g c o n c u r r e n c y c o n t r o l .

A t r a n s a c t i o n c a n b e t h o u g h t o f a s a s e q u e n c e o f l o a d s a n d s t o r e s p e r f o r m e d

a s p a r t o f a p r o g r a m w h i c h e i t h e r commits o r aborts . I f a t r a n s a c t i o n

c o m m i t s , t h e n a l l o f t h e l o a d s a n d s t o r e s a p p e a r t o h a v e r u n a t o m i c a l l y

w i t h r e s p e c t t o o t h e r t r a n s a c t i o n s . T h a t i s , t h e t r a n s a c t i o n ' s o p e r a t i o n s a r e

n o t i n t e r l e a v e d w i t h t h o s e o f o t h e r t r a n s a c t i o n s . I f a t r a n s a c t i o n a b o r t s ,

t h e n n o n e o f i t s s t o r e s t a k e e e c t a n d t h e t r a n s a c t i o n m a y b e r e s t a r t e d ,

w i t h s o m e m e c h a n i s m t o e n s u r e f o r w a r d p r o g r e s s .

B y s t r u c t u r i n g c o n c u r r e n c y a t a h i g h l e v e l w i t h t r a n s a c t i o n s , h u m a n

p r o g r a m m e r s n o l o n g e r n e e d t o m a n a g e t h e d e t a i l s r e q u i r e d t o e n s u r e a t o m -

i c i t y . A f u l l m e n t a l m o d e l o f t h e g l o b a l c o n c u r r e n c y s t r u c t u r e m u s t b e k e p t

i n m i n d w h e n w r i t i n g s y n c h r o n i z a t i o n c o d e , w h i c h p r o g r a m m e r s h a v e d i f -

c u l t y c o r r e c t l y m a i n t a i n i n g . T h e s i m p l e r \ g l o b a l a t o m i c i t y " g u a r a n t e e d

1 4


15/214

1 . 3 . U N L I M I T E D T R A N S A C T I O N S

u n d e r t h e t r a n s a c t i o n a l m o d e l e l i m i n a t e s p o t e n t i a l e r r o r s a n d s i m p l i e s t h e

c o n c e p t u a l m o d e l o f t h e s y s t e m , m a k i n g f u t u r e m o d i c a t i o n s s a f e r a s w e l l .

T h e t r a n s a c t i o n p r i m i t i v e s p r e s e n t e d i n t h i s t h e s i s c a n e x p l o i t o p t i -

m i s t i c c o n c u r r e n c y , p r o v i d e f a u l t t o l e r a n c e , a n d p r e v e n t d e l a y s b y u s i n g

n o n b l o c k i n g s y n c h r o n i z a t i o n . A l t h o u g h t r a n s a c t i o n s c a n b e i m p l e m e n t e d

u s i n g m u t u a l e x c l u s i o n ( l o c k s ) , o u r a l g o r i t h m s u t i l i z e n o n b l o c k i n g s y n c h r o -

n i z a t i o n [ 4 0 , 5 4 , 5 6 , 6 5 , 7 3 ] t o e x p l o i t o p t i m i s t i c c o n c u r r e n c y a m o n g t r a n s -

a c t i o n s . N o n b l o c k i n g s y n c h r o n i z a t i o n o e r s s e v e r a l a d v a n t a g e s ; f r o m t h e

s y s t e m b u i l d e r ' s p e r s p e c t i v e t h e p r i n c i p l e a d v a n t a g e i s f a u l t t o l e r a n c e . I n a

t r a d i t i o n a l l y c o n s t r u c t e d s y s t e m , a p r o c e s s t h a t f a i l s o r p a u s e s w h i l e h o l d i n g

a l o c k w i t h i n a c r i t i c a l r e g i o n c a n p r e v e n t a l l o t h e r p r o c e s s e s f r o m m a k i n g

p r o g r e s s . I t i s i n g e n e r a l n o t p o s s i b l e t o r e s t o r e l o c k e d d a t a s t r u c t u r e s t o

a c o n s i s t e n t s t a t e a f t e r s u c h a f a i l u r e . N o n b l o c k i n g s y n c h r o n i z a t i o n o e r s

a g r a c e f u l s o l u t i o n , a s n o n - p r o g r e s s o r f a i l u r e o f a n y o n e t h r e a d d o e s n o t

a e c t t h e p r o g r e s s o r c o n s i s t e n c y o f o t h e r t h r e a d s o r t h e s y s t e m .

I m p l e m e n t i n g t r a n s a c t i o n s u s i n g n o n b l o c k i n g s y n c h r o n i z a t i o n o e r s p e r -

f o r m a n c e b e n e t s a s w e l l . W h e n m u t u a l e x c l u s i o n i s u s e d t o e n f o r c e a t o m i c -

i t y , p a g e f a u l t s , c a c h e m i s s e s , c o n t e x t s w i t c h e s , I / O , a n d o t h e r u n p r e d i c t a b l e

e v e n t s m a y r e s u l t i n d e l a y s t o t h e e n t i r e s y s t e m . N o n b l o c k i n g s y n c h r o n i z a -

t i o n a l l o w s u n d e l a y e d p r o c e s s e s o r p r o c e s s o r s t o c o n t i n u e t o m a k e p r o g r e s s .

I n r e a l - t i m e s y s t e m s , t h e u s e o f n o n b l o c k i n g s y n c h r o n i z a t i o n c a n p r e v e n t

p r i o r i t y i n v e r s i o n i n t h e s y s t e m [ 6 0 ] , a l t h o u g h n a i v e i m p l e m e n t a t i o n s m a y

r e s u l t i n s t a r v a t i o n o f l o w - p r i o r i t y t a s k s ( s e e S e c t i o n 8 . 2 f o r a d i s c u s s i o n ) .

1.3 Unlimited transactions

T h e transactional memory a b s t r a c t i o n [ 4 9 , 5 0 , 6 3 , 8 1 , 8 7 , 8 9 ] , h a s b e e n

p r o p o s e d a s a g e n e r a l a n d e x i b l e w a y t o a l l o w p r o g r a m s t o r e a d a n d m o d i f y

d i s p a r a t e p r i m a r y m e m o r y l o c a t i o n s a s a s i n g l e o p e r a t i o n ( a t o m i c a l l y ) , m u c h

a s a d a t a b a s e t r a n s a c t i o n c a n a t o m i c a l l y m o d i f y m a n y r e c o r d s o n d i s k .

1 5


16/214


Hardware transactional memory ( H T M ) s u p p o r t s a t o m i c i t y t h r o u g h

a r c h i t e c t u r a l m e a n s , w h e r e a s software transactional memory ( S T M )

s u p p o r t s a t o m i c i t y t h r o u g h l a n g u a g e s , c o m p i l e r s , a n d l i b r a r i e s . I w i l l p r e s e n t

b o t h s o f t w a r e a n d h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n s o f t h e t r a n s a c t i o n m o d e l .

R e s e a r c h e r s o f b o t h H T M a n d S T M c o m m o n l y e x p r e s s t h e o p i n i o n t h a t

t r a n s a c t i o n s n e e d n e v e r t o u c h m a n y m e m o r y l o c a t i o n s , a n d h e n c e i t i s r e a -

s o n a b l e t o p u t a ( s m a l l ) b o u n d o n t h e i r s i z e [ 4 9 , 5 0 ] .

1

F o r H T M i m p l e m e n t a -

t i o n s , t h e y c o n c l u d e t h a t a s m a l l p i e c e o f a d d i t i o n a l h a r d w a r e | t y p i c a l l y i n

t h e f o r m o f a x e d - s i z e c o n t e n t - a d d r e s s a b l e m e m o r y a n d s u p p o r t i n g l o g i c |

s h o u l d s u c e . F o r S T M i m p l e m e n t a t i o n s , s o m e r e s e a r c h e r s a r g u e a d d i t i o n -

a l l y t h a t t r a n s a c t i o n s o c c u r i n f r e q u e n t l y , a n d h e n c e t h e s o f t w a r e o v e r h e a d

w o u l d b e d w a r f e d b y t h e o t h e r p r o c e s s i n g d o n e b y a n a p p l i c a t i o n . I n c o n -

t r a s t , t h i s t h e s i s s u p p o r t s t r a n s a c t i o n s o f a r b i t r a r y s i z e a n d d u r a t i o n . J u s t

a s m o s t p r o g r a m m e r s n e e d n o t p a y a n y a t t e n t i o n t o t h e e x a c t s i z e a n d r e -

p l a c e m e n t p o l i c y o f t h e i r s y s t e m ' s c a c h e , p r o g r a m m e r s o u g h t n o t c o n c e r n

t h e m s e l v e s w i t h l i m i t s o r i m p l e m e n t a t i o n d e t a i l s o f t h e i r t r a n s a c t i o n s y s t e m .

M y g o a l i s t o m a k e c o n c u r r e n t a n d f a u l t - t o l e r a n t p r o g r a m m i n g e a s i e r ,

w i t h o u t i n c u r r i n g e x c e s s i v e o v e r h e a d . T h i s t h e s i s a d v o c a t e s u n b o u n d e d

t r a n s a c t i o n s b e c a u s e n e i t h e r p r o g r a m m e r s n o r c o m p i l e r s c a n e a s i l y c o p e

w h e n a n a r c h i t e c t u r e i m p o s e s a h a r d l i m i t o n t r a n s a c t i o n s i z e . A n i m p l e -

m e n t a t i o n m i g h t b e o p t i m i z e d f o r t r a n s a c t i o n s b e l o w a c e r t a i n s i z e , b u t

m u s t s t i l l o p e r a t e c o r r e c t l y f o r l a r g e r t r a n s a c t i o n s . T h e s i z e o f t r a n s a c t i o n a l

h a r d w a r e s h o u l d b e a n i m p l e m e n t a t i o n p a r a m e t e r , l i k e c a c h e s i z e o r m e m o r y

s i z e , w h i c h c a n v a r y w i t h o u t a e c t i n g t h e p o r t a b i l i t y o f b i n a r i e s .

I n C h a p t e r 7 I s h o w h o w a f a s t h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n f o r f r e q u e n t

s h o r t t r a n s a c t i o n s c a n g r a c e f u l l y f a i l o v e r t o a s o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n d e -

s i g n e d t o e c i e n t l y e x e c u t e l a r g e l o n g - l i v e d t r a n s a c t i o n s . T h e h y b r i d a p -

1

F o r e x a m p l e , [ 4 9 , s e c t i o n 5 . 2 ] s t a t e s , \ O u r [ H T M ] i m p l e m e n t a t i o n r e l i e s o n t h e a s -

s u m p t i o n t h a t t r a n s a c t i o n s h a v e s h o r t d u r a t i o n s a n d s m a l l d a t a s e t s " ; w h i l e t h e S T M

d e s c r i b e d i n [ 5 0 ] h a s q u a d r a t i c s l o w d o w n w h e n t r a n s a c t i o n s t o u c h m a n y o b j e c t s : p e r f o r -

m a n c e i s

O((R+W)R), w h e r e

Ra n d

Wa r e t h e n u m b e r o f o b j e c t s o p e n e d f o r r e a d i n g a n d

w r i t i n g , r e s p e c t i v e l y .

1 6


17/214

1 . 4 . S T R O N G A T O M I C I T Y

p r o a c h a l l o w s m o r e s o p h i s t i c a t e d t r a n s a c t i o n m o d e l s t o b e i m p l e m e n t e d ,

w h i l e a l l o w i n g a s i m p l e r h a r d w a r e t r a n s a c t i o n m e c h a n i s m t o p r o v i d e s p e e d

i n t h e c o m m o n c a s e .

1.4 Strong atomicity

B l u n d e l l , L e w i s , a n d M a r t i n [ 1 7 ] d i s t i n g u i s h b e t w e e n strongly atomic

t r a n s a c t i o n s y s t e m s , w h i c h p r o t e c t t r a n s a c t i o n s f r o m i n t e r f e r e n c e f r o m n o n -

t r a n s a c t i o n a l c o d e , a n d weakly atomic t r a n s a c t i o n s y s t e m s w h i c h d o n o t

a o r d t h i s p r o t e c t i o n . N e a r l y a l l c u r r e n t s o f t w a r e t r a n s a c t i o n s y s t e m s a r e

w e a k l y a t o m i c ,

2

h o w e v e r , d e s p i t e t h e p i t f a l l s t h u s o p e n e d f o r t h e u n w a r y

p r o g r a m m e r , b e c a u s e o f t h e p e r c e i v e d d i c u l t y i n e c i e n t l y i m p l e m e n t i n g

t h e r e q u i r e d p r o t e c t i o n .

S t r o n g a t o m i c i t y i s c l e a r l y p r e f e r a b l e , a s t h e p r o g r a m m e r w i l l i n e v i t a b l y

o v e r l o o k s o m e n o n t r a n s a c t i o n a l r e f e r e n c e s t o s h a r e d d a t a ; w e w i s h t o p r e -

s e r v e c o r r e c t n e s s i n t h i s c o m m o n c a s e . B l u n d e l l e t a l . p o i n t o u t t h a t p r o -

g r a m s w r i t t e n f o r a w e a k l y a t o m i c m o d e l ( t o r u n o n a c u r r e n t s o f t w a r e

t r a n s a c t i o n s y s t e m , s a y ) m a y d e a d l o c k w h e n r u n u n d e r s t r o n g a t o m i c i t y

( f o r e x a m p l e , o n a h a r d w a r e t r a n s a c t i o n s y s t e m ) . T h e t r a n s a c t i o n s y s t e m s

c o n s i d e r e d i n t h i s t h e s i s p r e s e r v e t h e c o r r e c t a t o m i c b e h a v i o r o f t r a n s a c t i o n s

e v e n i n t h e f a c e o f u n s y n c h r o n i z e d a c c e s s e s f r o m o u t s i d e t h e t r a n s a c t i o n .

1.5 Summary of contributions

I n s u m m a r y , t h i s t h e s i s m a k e s t h e f o l l o w i n g c o n t r i b u t i o n s :

I p r o v i d e e c i e n t i m p l e m e n t a t i o n s o f s t r o n g l y a t o m i c t r a n s a c t i o n

p r i m i t i v e s t o e n a b l e t h e i r g e n e r a l u s e . M y e x p e r i m e n t s h a v e n o t

2

T h e r e a r e s o m e s y s t e m s w h i c h u s e t y p e s y s t e m s t o d i s a l l o w n o n t r a n s a c t i o n a l a c c e s s

t o o b j e c t s w i t h a \ s h a r e d " t y p e [ 4 5 , 5 0 , 8 4 ] , b u t t o m y k n o w l e d g e a l l s y s t e m s w h i c h a l l o w

( o r c a n n o t p r e v e n t ) a c c e s s t o s h a r e d o b j e c t s f r o m n o n t r a n s a c t i o n a l c o d e d o s o u n s a f e l y

[ 2 6 , 3 1 , 4 4 , 5 1 , 5 3 , 8 7 ] .

1 7


18/214


s h o w n a n o v e r h e a d o f m o r e t h a n 1 5 0 % i n r e a l a p p l i c a t i o n s , a l t h o u g h

p r o p e r c o m p i l e r s u p p o r t s h o u l d r e d u c e t h a t w o r s t c a s e c o n s i d e r a b l y .

T h e t r a n s a c t i o n p r i m i t i v e s p r e s e n t e d i n t h i s t h e s i s c a n e x p l o i t o p -

t i m i s t i c c o n c u r r e n c y , p r o v i d e f a u l t t o l e r a n c e , a n d p r e v e n t d e l a y s b y

u s i n g n o n b l o c k i n g s y n c h r o n i z a t i o n .

T h i s t h e s i s p r o p o s e s s y s t e m s w h i c h c a n s u p p o r t t r a n s a c t i o n s o f a r b i -

t r a r y s i z e a n d d u r a t i o n , s p a r i n g t h e p r o g r a m m e r f r o m d e t a i l e d k n o w l -

e d g e o f t h e s y s t e m ' s i m p l e m e n t a t i o n d e t a i l s .

I p r e s e n t b o t h s o f t w a r e a n d h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n s o f t h e t r a n s -

a c t i o n m o d e l . T h e s o f t w a r e t r a n s a c t i o n s y s t e m r u n s r e a l p r o g r a m s

w r i t t e n i n J a v a ; I d i s c u s s t h e p r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o n d e t a i l s e n c o u n -

t e r e d . T h e h a r d w a r e t r a n s a c t i o n s y s t e m s r e q u i r e o n l y s m a l l c h a n g e s

t o t h e p r o c e s s o r c o r e a n d c a c h e .

I s h o w h o w a f a s t h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n f o r f r e q u e n t s h o r t t r a n s -

a c t i o n s c a n g r a c e f u l l y f a i l o v e r t o a s o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n d e s i g n e d

t o e c i e n t l y e x e c u t e l a r g e l o n g - l i v e d t r a n s a c t i o n s .

I n C h a p t e r 2 I p r o v i d e s o m e c o n c u r r e n t p r o g r a m m i n g e x a m p l e s t h a t

i l l u s t r a t e t h e l i m i t a t i o n s o f c u r r e n t l o c k - b a s e d m e t h o d o l o g i e s . I a l s o p r o v i d e

e x a m p l e s i l l u s t r a t i n g t h e u s e s ( s o m e n o v e l ) o f a t r a n s a c t i o n s y s t e m , a n d

c o n c l u d e w i t h a b r i e f c a u t i o n a b o u t t h e c u r r e n t l i m i t s o f t r a n s a c t i o n s .

I n C h a p t e r 3 I p r e s e n t t h e d e s i g n o f A p e X , a n e c i e n t s o f t w a r e - o n l y

i m p l e m e n t a t i o n o f t r a n s a c t i o n s . S o f t w a r e - o n l y t r a n s a c t i o n s c a n b e i m p l e -

m e n t e d o n c u r r e n t h a r d w a r e , a n d c a n e a s i l y a c c o m m o d a t e m a n y d i e r e n t

t r a n s a c t i o n a n d n e s t i n g m o d e l s . S o f t w a r e t r a n s a c t i o n s e x c e l a t c e r t a i n l o n g -

l i v e d t r a n s a c t i o n s , w h e r e t h e o v e r h e a d i s s m a l l c o m p a r e d t o t h e t r a n s a c t i o n

e x e c u t i o n t i m e . A n e a r l y v e r s i o n o f A p e X w a s p u b l i s h e d a s [ 4 ] . I c o n c l u d e

b y p r e s e n t i n g a m i c r o b e n c h m a r k t h a t d e m o n s t r a t e s t h e p e r f o r m a n c e l i m i t s

o f t h e d e s i g n .

1 8


19/214

1 . 5 . S U M M A R Y O F C O N T R I B U T I O N S

I n C h a p t e r 4 I d i s c u s s t h e p r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o n o f A p e X . I p r e s e n t

d e t a i l s o f t h e c o m p i l e r a n a l y s e s a n d t r a n s f o r m a t i o n s p e r f o r m e d , a s w e l l a s

s o l u t i o n s t o p r o b l e m s t h a t a r i s e w h e n i m p l e m e n t i n g J a v a . I t h e n p r e s e n t

b e n c h m a r k r e s u l t s u s i n g r e a l a p p l i c a t i o n s , d i s c u s s t h e b e n e t s a n d l i m i t a -

t i o n s r e v e a l e d , a n d d e s c r i b e h o w t h e l i m i t s c o u l d b e o v e r c o m e .

C h a p t e r 6 e x p l o r e s o n e s u c h l i m i t a t i o n i n d e p t h , d e s c r i b i n g h o w l a r g e

a r r a y s t i n t o a n o b j e c t - o r i e n t e d t r a n s a c t i o n s c h e m e . I p r e s e n t a p o t e n t i a l

s o l u t i o n t o t h e p r o b l e m b a s e d o n f a s t f u n c t i o n a l a r r a y s .

I n C h a p t e r 7 I p r e s e n t L T M a n d U T M , h a r d w a r e s y s t e m s t h a t e n a b l e

f a s t s h o r t t r a n s a c t i o n s . T h e t r a n s a c t i o n m o d e l i s m o r e l i m i t e d , b u t s h o r t

c o m m i t t i n g t r a n s a c t i o n s m a y e x e c u t e w i t h n o o v e r h e a d . T h e a d d i t i o n a l

h a r d w a r e i s s m a l l a n d e a s i l y a d d e d t o c u r r e n t p r o c e s s o r a n d m e m o r y s y s t e m

d e s i g n s . T h i s p o r t i o n o f t h e c h a p t e r i s j o i n t w o r k w i t h K r s t e A s a n o v i c ,

B r a d l e y C . K u s z m a u l , C h a r l e s E . L e i s e r s o n , a n d S e a n L i e , a n d h a s b e e n

p r e v i o u s l y p u b l i s h e d a s [ 6 , 7 ] .

A t t h e e n d o f t h e c h a p t e r , I p r e s e n t H y A p e X , a hybrid t r a n s a c t i o n

i m p l e m e n t a t i o n t h a t b u i l d s o n t h e s t r e n g t h s o f s i m p l e h a r d w a r e s u p p o r t

w h i l e a l l o w i n g s o f t w a r e f a l l b a c k t o s u p p o r t a r o b u s t a n d c a p a b l e t r a n s a c -

t i o n m e c h a n i s m . U n l i k e t h e e x t e n d e d h a r d w a r e s c h e m e , t h e t r a n s a c t i o n

m o d e l i s s t i l l e a s y t o c h a n g e a n d u p d a t e ; t h e h a r d w a r e p r i m a r i l y s u p p o r t s

f a s t s m a l l t r a n s a c t i o n s a n d c o n i c t c h e c k i n g i n t h e c o m m o n c a s e . I d i s c u s s

s o m e w a y s c o m p i l e r s c a n f u r t h e r o p t i m i z e s o f t w a r e a n d h y b r i d t r a n s a c t i o n

s y s t e m s . T h e s e o p p o r t u n i t i e s m a y n o t b e a v a i l a b l e t o p u r e - h a r d w a r e i m p l e -

m e n t a t i o n s .

I n C h a p t e r 8 I d i s c u s s r e m a i n i n g c h a l l e n g e s t o t h e u s e o f u b i q u i t o u s

t r a n s a c t i o n s f o r s y n c h r o n i z a t i o n , a n d p r e s e n t s o m e i d e a s t o w a r d s o l u t i o n s .

C h a p t e r 9 d i s c u s s e s r e l a t e d w o r k , a n d m y n a l c h a p t e r s u m m a r i z e s m y

n d i n g s a n d d r a w s c o n c l u s i o n s .

1 9


20/214


2 0


21/214

Y o u h a v e a h a r d w a r e o r a

s o f t w a r e p r o b l e m .

S e r v i c e m a n u a l f o r

G e s t e t n e r 3 2 4 0

Chapter 2

Transactional programming:

The good, bad, and the ugly

B e f o r e d i v i n g i n t o t h e d e s i g n o f a n e c i e n t t r a n s a c t i o n s y s t e m , I m o t i v a t e

t h e t r a n s a c t i o n a l p r o g r a m m i n g m o d e l b y p r e s e n t i n g f o u r c o m m o n s c e n a r i o s

t h a t a r e n e e d l e s s l y d i c u l t u s i n g l o c k - b a s e d c o n c u r r e n c y . I t h e n p r e s e n t

f o u r n o v e l a p p l i c a t i o n s t h a t a t r a n s a c t i o n a l m o d e l f a c i l i t a t e s . T o g r o u n d

t h e d i s c u s s i o n i n r e a l i t y , I c o n c l u d e b y e n u m e r a t i n g a f e w c a s e s w h e r e t r a n s -

a c t i o n s m a y n o t b e t h e b e s t s o l u t i o n .

2.1 Four old things you cant (easily) do with locks

L o c k s e n g e n d e r p o o r m o d u l a r i t y a n d c o m p o s a b i l i t y , a n i n a b i l i t y t o d e a l

g r a c e f u l l y w i t h a s y n c h r o n o u s e v e n t s , a n d f r a g i l e a n d c o m p l e x s a f e t y p r o -

t o c o l s t h a t a r e o f t e n e x p r e s s e d e x t e r n a l l y t o t h e i r i m p l e m e n t a t i o n s . T h e s e

l i m i t a t i o n s o f l o c k s a r e w e l l - k n o w n [ 5 2 ] . I p r e s e n t f o u r c o m m o n t a s k s w h i c h

l o c k s m a k e u n n e c e s s a r i l y d i c u l t : m a k i n g l o c a l i z e d c h a n g e s t o s y n c h r o -

n i z a t i o n , p e r f o r m i n g a t o m i c o p e r a t i o n s o n c o n t a i n e r s , c r e a t i n g a t h r e a d - s a f e

d o u b l e - e n d e d q u e u e , a n d h a n d l i n g a s y n c h r o n o u s e x c e p t i o n s .

2 1


22/214

C H A P T E R 2 . T R A N S A C T I O N A L P R O G R A M M I N G

Tweak performance with localized changes

P r e v e n t i n g d e a d l o c k s a n d r a c e s r e q u i r e s g l o b a l p r o t o c o l s a n d n o n - l o c a l r e a -

s o n i n g . I t i s n o t e n o u g h t o s i m p l y s p e c i f y a l o c k o f a c e r t a i n g r a n u l a r i t y

p r o t e c t i n g c e r t a i n d a t a i t e m s ; t h e o r d e r o r c i r c u m s t a n c e s i n w h i c h t h e l o c k

m a y b e a c q u i r e d a n d r e l e a s e d m u s t a l s o b e s p e c i e d g l o b a l l y , i n t h e c o n t e x t

o f a l l l o c k s i n t h e s y s t e m , i n o r d e r t o p r e v e n t d e a d l o c k s o r u n e x p e c t e d r a c e s .

T h i s r e q u i r e m e n t p r e v e n t s t h e p r o g r a m m e r f r o m e a s i l y t u n i n g t h e s y s t e m

u s i n g l o c a l i z e d c h a n g e s : e v e r y s m a l l c h a n g e m u s t b e r e - v e r i e d a g a i n s t t h e

p r o t o c o l s s p e c i e d i n t h e w h o l e - p r o g r a m c o n t e x t i n o r d e r t o p r e v e n t r a c e s

a n d / o r d e a d l o c k .

F u r t h e r m o r e , t h i s w h o l e - p r o g r a m p r o t o c o l i s n o t t y p i c a l l y e x p r e s s e d d i -

r e c t l y i n c o d e . W i t h c o m m o n p r o g r a m m i n g l a n g u a g e s , a c q u i r e / r e l e a s e o r -

d e r i n g a n d g u a r a n t e e s m u s t b e e x p r e s s e d e x t e r n a l l y , o f t e n a s c o m m e n t s i n

t h e s o u r c e c o d e t h a t e a s i l y d r i f t o u t o f s y n c w i t h t h e i m p l e m e n t a t i o n . F o r

e x a m p l e , i n [ 6 ] w e c o u n t e d t h e c o m m e n t s i n t h e L i n u x l e s y s t e m l a y e r , a n d

f o u n d t h a t a b o u t 1 5 % o f t h e s e r e l a t e t o l o c k i n g p r o t o c o l s ; o f t e n d e s c r i b i n g

g l o b a l i n v a r i a n t s o f t h e p r o g r a m w h i c h a r e d i c u l t t o v e r i f y . M a n y r e p o r t e d

k e r n e l b u g s i n v o l v e r a c e s a n d d e a d l o c k s .

Atomically move data between thread-safe containers

A n o t h e r c o m m o n p r o g r a m m i n g p i t f a l l w i t h l o c k s i s t h e i r non-composability.

F o r e x a m p l e , g i v e n t w o t h r e a d - s a f e c o n t a i n e r c l a s s e s i m p l e m e n t e d w i t h l o c k s ,

i t i s i m p o s s i b l e t o s a f e l y c o m p o s e t h e g e t f u n c t i o n o f o n e w i t h t h e p u t f u n c -

t i o n o f t h e o t h e r t o c r e a t e a n a t o m i c m o v e . W e m u s t p e e k i n s i d e t h e i m p l e -

m e n t a t i o n o f t h e c o n t a i n e r s t o s y n t h e s i z e a n a p p r o p r i a t e l o c k i n g m e c h a n i s m

f o r s u c h a n a c t i o n | f o r e x a m p l e , t o a c q u i r e t h e a p p r o p r i a t e c o n t a i n e r , e l e -

m e n t , o r o t h e r l o c k s o n b o t h c o n t a i n e r s | a n d e v e n t h e n , w e n e e d t o r e s o r t

t o s o m e g l o b a l l o c k o r d e r i n g t o g u a r d a g a i n s t d e a d l o c k . M o d u l a r i t y m u s t

b e b r o k e n i n o r d e r t o s y n t h e s i z e t h e a p p r o p r i a t e c o m p o s e d f u n c t i o n , i f i t i s

p o s s i b l e a t a l l .

2 2


23/214

2 . 1 . F O U R O L D T H I N G S Y O U C A N ' T ( E A S I L Y ) D O W I T H L O C K S

I n t h e J a d e p r o g r a m m i n g l a n g u a g e , R i n a r d p r e s e n t s a p a r t i a l s o l u t i o n

u s i n g \ i m p l i c i t l y s y n c h r o n i z e d " o b j e c t s [ 8 3 , p 1 4 ] . L o c k a c q u i s i t i o n f o r e a c h

m o d u l e i s e x p o s e d i n t h e m o d u l e ' s A P I a s a n e x e c u t a b l e \ a c c e s s d e c l a r a -

t i o n . " O p e r a t i o n c o m p o s i t i o n i s a c c o m p l i s h e d b y c r e a t i n g a n a c c e s s d e c -

l a r a t i o n f o r t h e c o m p o s e d o p e r a t i o n w h i c h i n v o k e s t h e a p p r o p r i a t e a c c e s s

d e c l a r a t i o n s f o r t h e c o m p o n e n t s . T h e r u n t i m e s y s t e m o r d e r s t h e l o c k a c -

q u i s i t i o n s t o p r e v e n t d e a d l o c k . T h i s p r o c e s s s u c e s f o r c o n s e r v a t i v e m u t u a l

e x c l u s i o n , b u t p r e - d e c l a r a t i o n m a k e s i t d i c u l t t o e x p r e s s o p t i m i s t i c l o c k i n g

p r o t o c o l s , w h e r e o n e o r m o r e l o c k s a r e o n l y r a r e l y r e q u i r e d .

T r a n s a c t i o n s d o n o t s u e r f r o m t h e c o m p o s a b i l i t y p r o b l e m [ 4 5 ] . B e c a u s e

t r a n s a c t i o n s o n l y s p e c i f y t h e a t o m i c i t y p r o p e r t i e s , n o t t h e l o c k s r e q u i r e d ,

t h e p r o g r a m m e r ' s j o b i s m a d e e a s i e r a n d i m p l e m e n t a t i o n s a r e f r e e t o o p t i -

m i s t i c a l l y s y n c h r o n i z e i n a n y w a y t h a t p r e s e r v e s a t o m i c i t y .

1

Create a thread-safe double-ended queue

H e r l i h y s u g g e s t s c r e a t i n g a t h r e a d - s a f e d o u b l e - e n d e d q u e u e u s i n g l o c k s a s

\ s a d i s t i c h o m e w o r k " f o r c o m p u t e r s c i e n c e s t u d e n t s [ 5 2 ] . A l t h o u g h d o u b l e -

e n d e d q u e u e s a r e a s i m p l e d a t a s t r u c t u r e , c r e a t i n g a s c a l a b l e l o c k i n g p r o t o c o l

i s a n o n - t r i v i a l e x e r c i s e . O n e w a n t s d e q u e u e a n d e n q u e u e o p e r a t i o n s t o

c o m p l e t e c o n c u r r e n t l y w h e n t h e e n d s o f t h e q u e u e a r e \ f a r e n o u g h " a p a r t ,

w h i l e s a f e l y h a n d l i n g t h e i n t e r f e r e n c e i n t h e s m a l l - q u e u e c a s e . I n f a c t , t h e

s o l u t i o n t o t h i s a s s i g n m e n t w a s a p u b l i s h a b l e r e s u l t , a s M i c h a e l a n d S c o t t

d e m o n s t r a t e d i n 1 9 9 6 [ 7 5 ] .

T h e s i m p l e \ o n e l o c k " s o l u t i o n t o t h e d o u b l e - e n d e d q u e u e p r o b l e m , r u l e d

o u t a s u n s c a l a b l e i n t h e l o c k i n g c a s e , i s s c a l a b l e a n d e c i e n t f o r n o n b l o c k i n g

t r a n s a c t i o n s [ 5 2 , 5 6 ] .

1

S e c t i o n 2 . 2 p r e s e n t s a c o n c r e t e e x a m p l e .

2 3


24/214


Handle asynchronous exceptions

P r o p e r l y h a n d l i n g a s y n c h r o n o u s e v e n t s i s d i c u l t w i t h l o c k s , b e c a u s e i t i s

i m p o s s i b l e t o s a f e l y g o o t o h a n d l e t h e e v e n t w h i l e h o l d i n g a n a r b i t r a r y

s e t o f l o c k s | a n d i t i s i m p o s s i b l e t o s a f e l y d r o p t h e l o c k s . T h e s o l u t i o n

i m p l e m e n t e d i n t h e R e a l - T i m e S p e c i c a t i o n f o r J a v a [ 1 9 ] a n d s i m i l a r s y s t e m s

( s e e [ 7 1 , s e c t i o n 9 ] ) i s t o g e n e r a l l y f o r b i d a s y n c h r o n o u s e v e n t s w i t h i n l o c k e d

r e g i o n s , a l l o w i n g t h e p r o g r a m m e r t o e x p l i c i t l y s p e c i f y c e r t a i n p o i n t s w i t h i n

t h e r e g i o n a t w h i c h e x e c u t i o n c a n b e i n t e r r u p t e d , d r o p p i n g a l l l o c k s i n o r d e r

t o d o s o . M a i n t a i n i n g t h e c o r r e c t n e s s i n t h e f a c e o f e v e n e x p l i c i t l y d e c l a r e d

i n t e r r u p t i o n p o i n t s i s s t i l l d i c u l t .

T r a n s a c t i o n a l a t o m i c r e g i o n s h a n d l e a s y n c h r o n o u s e x c e p t i o n s g r a c e f u l l y ,

b y a b o r t i n g t h e t r a n s a c t i o n t o a l l o w a n e v e n t t o o c c u r .

2.2 Four new things transactions make easy

I p r e s e n t f o u r e x a m p l e s i n t h i s s e c t i o n , i l l u s t r a t i n g h o w t r a n s a c t i o n s c a n

s u p p o r t f a u l t t o l e r a n c e a n d b a c k t r a c k i n g , s i m p l i f y l o c k i n g , a n d p r o v i d e a

m o r e i n t u i t i v e m e a n s f o r s p e c i f y i n g t h r e a d - s a f e t y p r o p e r t i e s . I r s t e x a m i n e

a d e s t r u c t i v e t r a v e r s a l a l g o r i t h m , s h o w i n g h o w a t r a n s a c t i o n i m p l e m e n t a -

t i o n c a n b e t r e a t e d a s a n e x c e p t i o n - h a n d l i n g m e c h a n i s m . I s h o w h o w a

v a r i a n t o f t h i s m e c h a n i s m c a n b e u s e d t o i m p l e m e n t b a c k t r a c k i n g s e a r c h .

U s i n g a n e t w o r k o w e x a m p l e , I t h e n s h o w h o w t h e t r a n s a c t i o n m e c h a n i s m

c a n b e u s e d t o s i m p l i f y t h e l o c k i n g d i s c i p l i n e r e q u i r e d w h e n s y n c h r o n i z i n g

c o n c u r r e n t m o d i c a t i o n s t o m u l t i p l e o b j e c t s . F i n a l l y , I s h o w a n e x i s t i n g

r a c e i n t h e J a v a s t a n d a r d l i b r a r i e s ( i n t h e c l a s s java.lang.StringBuffer ) .

\ T r a n s a c t i c a t i o n " o f t h e e x i s t i n g c l a s s c o r r e c t s t h i s r a c e .

Destructive traversal

M a n y r e c u r s i v e d a t a s t r u c t u r e s c a n b e t r a v e r s e d w i t h o u t t h e u s e o f a s t a c k b y

u s i n g p o i n t e r r e v e r s a l . T h i s t e c h n i q u e i s w i d e l y u s e d i n g a r b a g e c o l l e c t o r s ,

2 4


25/214

2 . 2 . F O U R N E W T H I N G S T R A N S A C T I O N S M A K E E A S Y

// destructive list traversal.void traverse(List l) {

List last = null, t;

/* zip through the list, reversing links */for (int i=0; i


26/214


I n s t e a d , I c a n p r o v i d e a n o n - d e t e r m i n i s t i c c h o i c e o p e r a t o r , try/ else ,

a n d w r i t e t h e r e c o v e r y c o d e a t a h i g h e r l e v e l a s :

try {traverse(list);

} else { // try-else constructthrow new Error();

}

T h e try/ else b l o c k a p p e a r s t o m a k e a n o n - d e t e r m i n i s t i c c h o i c e b e t w e e n

e x e c u t i n g t h e try o r t h e else c l a u s e , d e p e n d i n g o n w h e t h e r t h e try w o u l d

s u c c e e d o r n o t . T h i s c o n s t r u c t c a n b e s t r a i g h t f o r w a r d l y i m p l e m e n t e d w i t h

a t r a n s a c t i o n a r o u n d t h e t r a v e r s a l , a l w a y s i n i t i a l l y a t t e m p t i n g t h e try. E x -

c e p t i o n s o r f a u l t s c a u s e t h e t r a n s a c t i o n t o a b o r t ; w h e n i t d o e s s o a l l t h e

h e a p s i d e - e e c t s o f t h e try b l o c k d i s a p p e a r .

Backtracking search

I n t r o d u c i n g a n e x p l i c i t fail s t a t e m e n t a l l o w s u s t o u s e t h e s a m e try/ else

t o f a c i l i t a t e b a c k t r a c k i n g s e a r c h . B a c k t r a c k i n g s e a r c h i s u s e d t o i m p l e -

m e n t p r a c t i c a l

2

r e g u l a r e x p r e s s i o n s , p a r s e r s , l o g i c p r o g r a m m i n g l a n g u a g e s ,

S c r a b b l e - p l a y i n g p r o g r a m s [ 9 ] , a n d ( i n g e n e r a l ) a n y p r o b l e m w i t h m u l t i p l e

s o l u t i o n s o r m u l t i p l e s o l u t i o n t e c h n i q u e s .

A s a s i m p l e e x a m p l e , l e t u s c o n s i d e r a r e c u r s i v e - d e c e n t p a r s e r s u c h a s

t h a t s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 . W e d o n ' t k n o w w h e t h e r t o a p p l y t h e sum()

o r difference() p r o d u c t i o n u n t i l a f t e r w e ' v e p a r s e d s o m e c o m m o n l e f t

p r e x . W e c a n u s e b a c k t r a c k i n g t o a t t e m p t o n e r u l e ( sum

) a n d fail

o u t o f i t

i n s i d e t h e eat() m e t h o d , i n t h e p r o c e s s u n d o i n g a n y d a t a s t r u c t u r e u p d a t e s

p e r f o r m e d o n t h i s p a t h , a n d t h e n a t t e m p t t h e o t h e r p o s s i b l e p r o d u c t i o n .

Optimistic synchronization

L e t ' s n o w t u r n o u r a t t e n t i o n n o w t o p a r a l l e l c o d e s , t h e m o r e c o n v e n t i o n a l

a p p l i c a t i o n o f t r a n s a c t i o n s y s t e m s . C o n s i d e r a s e r i a l p r o g r a m f o r c o m p u t i n g

2

A s o p p o s e d t o t h e l i m i t e d r e g u l a r e x p r e s s i o n s d e m o n s t r a t e d i n t h e o r y c l a s s e s w h i c h

a r e a l w a y s n e a t l y c o m p i l e d t o d e t e r m i n i s t i c n i t e a u t o m a t a [ 3 3 ] .

2 6


27/214


char buffer[];int pos;

void eat(char token) {if (buffer[pos++] != token)

fail;}

int expr() {try {

return sum();} else {

return difference();}

}

int sum() {int a = number();eat(ADD);int b = number();return a+b;

}

int difference() {int a = number();eat(MINUS);int b = number();return a-b;

}

F i g u r e 2 . 2 : A s i m p l e b a c k t r a c k i n g r e c u r s i v e - d e c e n t p a r s e r , u s i n g t r a n s a c -

t i o n a l try/ else / fail .

2 7


28/214


n e t w o r k o w ( s e e , f o r e x a m p l e , [ 2 4 , C h a p t e r 2 6 ] ) . T h e i n n e r l o o p o f t h e c o d e

p u s h e s o w a c r o s s a n e d g e b y i n c r e a s i n g t h e \ e x c e s s o w " o n o n e v e r t e x

a n d d e c r e a s i n g i t b y t h e s a m e a m o u n t o n a n o t h e r v e r t e x . O n e m i g h t s e e

t h e f o l l o w i n g J a v a c o d e :

void pushFlow(Vertex v1, Vertex v2, double flow) {v1.excess += flow; /* Move excess flow from v1 */v2.excess -= flow; /* to v2. */

}

T o p a r a l l e l i z e t h i s c o d e , o n e m u s t p r e c l u d e m u l t i p l e t h r e a d s f r o m m o d i -

f y i n g t h e e x c e s s o w o n t h o s e t w o v e r t i c e s a t t h e s a m e t i m e . L o c k s p r o v i d e

o n e w a y t o e n f o r c e t h i s m u t u a l e x c l u s i o n :

void pushFlow(Vertex v1, Vertex v2, double f) {Object lock1, lock2;if (v1.id < v2.id) { /* Avoid deadlock. */

lock1 = v1; lock2 = v2;} else {

lock1 = v2; lock2 = v1;}synchronized(lock1) {

synchronized(lock2) {v1.excess += f; /* Move excess flow from v1 */v2.excess -= f; /* to v2. */

} /* unlock lock2 */} /* unlock lock1 */

}

T h i s c o d e i s s u r p r i s i n g l y c o m p l i c a t e d a n d s l o w c o m p a r e d t o t h e o r i g -

i n a l . S p a c e f o r e a c h o b j e c t ' s l o c k m u s t b e r e s e r v e d . T o a v o i d d e a d l o c k ,

t h e c o d e m u s t a c q u i r e t h e l o c k s i n a c o n s i s t e n t l i n e a r o r d e r , r e s u l t i n g i n

a n u n p r e d i c t a b l e b r a n c h i n t h e c o d e . I n t h e c o d e s h o w n , I h a v e r e q u i r e d

t h e p r o g r a m m e r t o i n s e r t a n id e l d i n t o e a c h v e r t e x o b j e c t t o m a i n t a i n a

t o t a l o r d e r i n g . T h e t i m e r e q u i r e d t o a c q u i r e t h e l o c k s m a y b e a n o r d e r o f

m a g n i t u d e l a r g e r t h a n t h e t i m e t o m o d i f y t h e e x c e s s o w . W h a t ' s m o r e ,

a l l o f t h i s o v e r h e a d i s r a r e l y n e e d e d ! F o r a g r a p h w i t h t h o u s a n d s o r m i l l i o n s

o f v e r t i c e s , t h e n u m b e r o f t h r e a d s o p e r a t i n g o n t h e g r a p h i s l i k e l y t o b e

l e s s t h a n a h u n d r e d . C o n s e q u e n t l y , t h e c h a n c e s a r e q u i t e s m a l l t h a t t w o

d i e r e n t t h r e a d s a c t u a l l y c o n i c t . W i t h o u t t h e l o c k s t o i m p l e m e n t m u t u a l

e x c l u s i o n , h o w e v e r , t h e p r o g r a m w o u l d o c c a s i o n a l l y f a i l .

2 8


29/214


S o f t w a r e t r a n s a c t i o n s ( a n d s o m e l a n g u a g e s u p p o r t ) a l l o w t h e p r o g r a m -

m e r t o p a r a l l e l i z e t h e o r i g i n a l c o d e u s i n g a n atomic k e y w o r d t o i n d i c a t e

t h a t t h e c o d e b l o c k s h o u l d a p p e a r t o e x e c u t e a t o m i c a l l y :

void pushFlow(Vertex v1, Vertex v2, double flow) {atomic { /* Transaction begin. */

v1.excess += flow; /* Move excess flow from v1 */v2.excess -= flow; /* to v2. */

} /* Transaction end. */}

T h i s atomic r e g i o n c a n b e i m p l e m e n t e d a s a t r a n s a c t i o n , a n d w i t h a n a p -

p r o p r i a t e l y n o n b l o c k i n g i m p l e m e n t a t i o n , i t w i l l s c a l e b e t t e r , e x e c u t e f a s t e r ,

a n d u s e l e s s m e m o r y t h a n t h e l o c k i n g v e r s i o n [ 6 , 4 0 , 4 4 , 4 9 , 7 3 , 8 7 ] . F r o m

t h e p r o g r a m m e r ' s p o i n t o f v i e w , I h a v e a l s o e l i m i n a t e d t h e c o n v o l u t e d l o c k -

i n g p r o t o c o l w h i c h m u s t b e o b s e r v e d r i g o r o u s l y e v e r y w h e r e t h e r e l a t e d e l d s

a r e a c c e s s e d , i f d e a d l o c k a n d r a c e s a r e t o b e a v o i d e d .

F u r t h e r , I c a n i m p l e m e n t atomic u s i n g t h e try/ else e x c e p t i o n - h a n d l i n g

m e c h a n i s m I h a v e a l r e a d y i n t r o d u c e d :

for (int b=0; ; b++) {try {

// atomic actions} else {

backOff(b);continue;

}break; // success!

}

I n o n - d e t e r m i n i s t i c a l l y c h o o s e t o e x e c u t e t h e b o d y o f t h e atomic b l o c k

i f a n d o n l y i f i t w i l l b e o b s e r v e d b y a l l t o e x e c u t e a t o m i c a l l y . T h e s a m e l i n -

g u i s t i c m e c h a n i s m I i n t r o d u c e d f o r f a u l t t o l e r a n c e a n d b a c k t r a c k i n g p r o v i d e s

a t o m i c r e g i o n s f o r s y n c h r o n i z a t i o n a s w e l l .

Bug fixingT h e e x i s t i n g monitor synchronization m e t h o d o l o g y f o r J a v a , b u i l d i n g o n

s u c h f e a t u r e s i n p r o g e n i t o r s s u c h a s E m e r a l d [ 1 6 , 6 1 ] ,

3

i m p l i c i t l y a s s o c i a t e s

3

S e e S e c t i o n 9 . 4 .

2 9


30/214


a n l o c k w i t h e a c h o b j e c t . D a t a r a c e s a r e p r e v e n t e d b y r e q u i r i n g a t h r e a d t o

a c q u i r e a n o b j e c t ' s l o c k b e f o r e t o u c h i n g t h e o b j e c t ' s s h a r e d e l d s . T h e l a c k

o f r a c e s i s n o t s u c i e n t t o p r e v e n t u n a n t i c i p a t e d p a r a l l e l b e h a v i o r , h o w e v e r .

F l a n a g a n a n d Q a d e e r [ 2 9 ] d e m o n s t r a t e d t h i s i n s u c i e n c y w i t h a n a c -

t u a l b u g t h e y d i s c o v e r e d i n t h e S u n J D K 1 . 4 . 2 J a v a s t a n d a r d l i b r a r i e s .

T h e java.lang.StringBuffer c l a s s , w h i c h i m p l e m e n t s a m u t a b l e s t r i n g

a b s t r a c t i o n , i s i m p l e m e n t e d a s f o l l o w s :

public final class StringBuffer ... {private char value[];private int count;...

public synchronizedStringBuffer append(StringBuffer sb) {

...A: int len = sb.length();

int newcount = count + len;if (newcount > value.length)

expandCapacity(newcount);// next statement may use stale len

B: sb.getChars(0, len, value, count);count = newcount;return this;

}public synchronized int length() { return count; }public synchronized void getChars(...) { ... }

}

T h e l i b r a r y d o c u m e n t a t i o n i n d i c a t e s t h a t t h e m e t h o d s o f t h i s c l a s s a r e

m e a n t t o e x e c u t e a t o m i c a l l y , a n d t h e synchronized m o d i e r s o n t h e m e t h -

o d s a r e m e a n t t o a c c o m p l i s h t h i s .

T h eappend()

m e t h o d i s n o t a t o m i c , h o w e v e r . A n o t h e r t h r e a d m a y

c h a n g e t h e l e n g t h o f t h e p a r a m e t e r sb ( b y a d d i n g o r r e m o v i n g c h a r a c t e r s )

b e t w e e n t h e c a l l t o sb.length() a t l a b e l A a n d t h e c a l l t o sb.getChars(...)

a t l a b e l B . T h i s n o n - a t o m i c i t y m a y c a u s e i n c o r r e c t d a t a t o b e a p p e n d e d t o

t h e t a r g e t o r a StringIndexOutOfBoundException

t o b e t h r o w n . A l t h o u g h

t h e c a l l s t o sb.length() a n d sb.getChars() a r e i n d i v i d u a l l y a t o m i c , t h e y

d o n o t c o m p o s e t o f o r m a n a t o m i c i m p l e m e n t a t i o n o f append() .

R e p l a c i n g synchronized w i t h atomic i n t h i s c o d e g i v e s u s t h e s e m a n -

t i c s w e d e s i r e : t h e a t o m i c i t y o f n e s t e d atomic

b l o c k s i s g u a r a n t e e d b y t h e

3 0


31/214

2 . 3 . S O M E T H I N G S W E S T I L L C A N ' T ( E A S I L Y ) D O

a t o m i c i t y o f t h e o u t e r m o s t b l o c k , e n s u r i n g t h a t t h e e n t i r e o p e r a t i o n a p p e a r s

a t o m i c .

B o t h t h e n e t w o r k o w e x a m p l e a n d t h i s StringBuffer e x a m p l e r e q u i r e

s y n c h r o n i z a t i o n o f u p d a t e s t o m o r e t h a n o n e o b j e c t . M o n i t o r s y n c h r o n i z a -

t i o n i s n o t w e l l - s u i t e d t o t h i s t a s k . A t o m i c r e g i o n s i m p l e m e n t e d w i t h t r a n s -

a c t i o n s c a n b e u s e d t o s i m p l i f y t h e l o c k i n g d i s c i p l i n e r e q u i r e d t o s y n c h r o -

n i z e m u l t i o b j e c t m u t a t i o n a n d p r o v i d e a m o r e i n t u i t i v e s p e c i c a t i o n f o r t h e

d e s i r e d c o n c u r r e n t p r o p e r t i e s . F u r t h e r , t h e StringBuffer e x a m p l e s h o w s

t h a t s i m p l y r e p l a c i n g synchronized w i t h atomic p r o v i d e s a a l t e r n a t i v e s e -

m a n t i c s t h a t m a y i n f a c t c o r r e c t e x i s t i n g s y n c h r o n i z a t i o n e r r o r s . F o r m a n y

J a v a p r o g r a m s , t h e s e m a n t i c s o f atomic a n d synchronized a r e i d e n t i c a l ;

s e e S e c t i o n 8 . 3 .

2.3 Some things we still cant (easily) do

T h e t r a n s a c t i o n m e c h a n i s m p r e s e n t e d h e r e i s n o t a u n i v e r s a l r e p l a c e m e n t f o r

a l l s y n c h r o n i z a t i o n . I n p a r t i c u l a r , t r a n s a c t i o n s c a n n o t r e p l a c e m u t u a l e x -

c l u s i o n r e q u i r e d t o s e r i a l i z e I / O , a l t h o u g h t h e n e e d e d l o c k s c a n c e r t a i n l y b e

b u i l t w i t h t r a n s a c t i o n s . T h e c h a l l e n g e o f i n t e g r a t i n g I / O w i t h i n a t r a n s a c -

t i o n a l c o n t e x t i s d i s c u s s e d i n S e c t i o n 8 . 4 . L a r g e p r o g r a m s | t h e L i n u x k e r n e l ,

f o r e x a m p l e | h a v e b e e n w r i t t e n s u c h t h a t l o c k s a r e n e v e r h e l d a c r o s s c o n -

t e x t s w i t c h e s o r I / O o p e r a t i o n s , h o w e v e r . T r a n s a c t i o n s p r o v i d e a c o m p l e t e

s o l u t i o n f o r t h i s l i m i t e d f o r m o f s y n c h r o n i z a t i o n .

B l o c k i n g p r o d u c e r - c o n s u m e r q u e u e s , o r o t h e r o p t i o n s t h a t r e q u i r e a

t r a n s a c t i o n t o w a i t u p o n a c o n d i t i o n v a r i a b l e , m a y i n t r o d u c e c o m p l i c a t i o n s

i n t o a t r a n s a c t i o n s y s t e m : t r a n s a c t i o n s c a n n o t i m m e d i a t e l y r e t r y w h e n t h e y

f a i l , b u t i n s t e a d m u s t w a i t f o r s o m e c o n d i t i o n t o b e c o m e t r u e . S e c t i o n 4 . 4 . 4

d e s c r i b e s s o m e s o l u t i o n s t o t h i s p r o b l e m , r a n g i n g f r o m n a i v e ( k e e p r e t r y i n g

a n d a b o r t i n g w i t h e x p o n e n t i a l b a c k o u n t i l t h e c o n d i t i o n i s n a l l y t r u e ) t o

c l e v e r ; t h e c l e v e r s o l u t i o n s r e q u i r e a d d i t i o n a l t r a n s a c t i o n m a c h i n e r y .

3 1


32/214


3 2


33/214

E a s y t h i n g s s h o u l d s t a y e a s y ,

h a r d t h i n g s s h o u l d g e t e a s i e r ,

a n d i m p o s s i b l e t h i n g s s h o u l d g e t

h a r d .

M o t t o f o r P e r l 6 d e v e l o p m e n t Chapter 3

Designing a software

transaction system

I n t h i s c h a p t e r I d e t a i l t h e d e s i g n o f A p e X , a h i g h - p e r f o r m a n c e s o f t w a r e

t r a n s a c t i o n s y s t e m . I r s t p r e s e n t a m e t h o d o l o g y f o r i s o l a t i n g l i k e l y t r a n s -

a c t i o n s f r o m b e n c h m a r k s . I t h e n d e s c r i b e t h e s y s t e m g o a l s , a n d u s e q u a n -

t i t a t i v e d a t a f r o m b e n c h m a r k s t o b u t t r e s s t h e d e s i g n c h o i c e s . I f o r m a l i z e

a n i m p l e m e n t a t i o n m e e t i n g t h o s e g o a l s i n t h e m o d e l i n g l a n g u a g e P r o m e l a .

T h e c o r r e c t n e s s o f t h i s i m p l e m e n t a t i o n c a n b e m o d e l - c h e c k e d u s i n g t h e S p i n

t o o l ; t h e d e t a i l s o f t h i s e o r t a r e i n A p p e n d i x A .

A f t e r o u t l i n i n g t h e d e s i g n o f A p e X i n t h i s c h a p t e r , C h a p t e r 4 d i s c u s s e s

i t s p r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o n .

3.1 Finding transactions

O n e o f t h e d i c u l t i e s o f p r o p o s i n g a n o v e l l a n g u a g e f e a t u r e i s t h e l a c k o f

b e n c h m a r k s f o r i t s e v a l u a t i o n . A l t h o u g h t h e r e i s n o e x i s t i n g b o d y o f c o d e

t h a t u s e s t r a n s a c t i o n s , t h e r e i s a s u b s t a n t i a l b o d y o f c o d e t h a t u s e s J a v a

( l o c k i n g ) s y n c h r o n i z a t i o n . T h i s t h e s i s u t i l i z e s t h e F l e x c o m p i l e r [ 3 ] t o

s u b s t i t u t e atomic b l o c k s ( m e t h o d s ) f o r synchronized b l o c k s ( m e t h o d s ) i n

o r d e r t o e v a l u a t e t h e p r o p e r t i e s J a v a t r a n s a c t i o n s a r e l i k e l y t o h a v e . T h e

3 3


34/214

C H A P T E R 3 . D E S I G N I N G A S O F T W A R E T R A N S A C T I O N S Y S T E M

s e m a n t i c s a r e n o t p r e c i s e l y c o m p a t i b l e : t h e e x i s t i n g J a v a m e m o r y m o d e l

a l l o w s u n s y n c h r o n i z e d u p d a t e s t o s h a r e d e l d s t o b e o b s e r v e d w i t h i n a

s y n c h r o n i z e d b l o c k , w h i l e s u c h u p d a t e s a r e n e v e r v i s i b l e t o a t r a n s a c t i o n

e x p r e s s e d w i t h a n atomic b l o c k . 1 D e s p i t e t h e d i e r e n c e s i n s e m a n t i c s , t h e

a u t o m a t i c s u b s t i t u t i o n o f atomic f o r synchronized d o e s , i n f a c t , p r e s e r v e

t h e c o r r e c t n e s s o f t h e b e n c h m a r k s I e x a m i n e h e r e .

T h e i n i t i a l r e s u l t s o f t h i s c h a p t e r e x p l o r e t h e i m p l i c a t i o n s o f e x p o s i n g

t h e t r a n s a c t i o n m e c h a n i s m t o u s e r - l e v e l c o d e t h r o u g h a c o m p i l e r . I c o m p i l e d

t h e S P E C j v m 9 8 b e n c h m a r k s u i t e w i t h t h e F l e x J a v a c o m p i l e r , m o d i e d t o

t u r n s y n c h r o n i z e d b l o c k s a n d m e t h o d s i n t o t r a n s a c t i o n s , i n o r d e r t o i n v e s -

t i g a t e t h e p r o p e r t i e s o f t h e t r a n s a c t i o n s i n s u c h \ a u t o m a t i c a l l y c o n v e r t e d "

c o d e . F l e x p e r f o r m e d m e t h o d c l o n i n g t o d i s t i n g u i s h m e t h o d s c a l l e d f r o m

w i t h i n t r a n s a c t i o n s , a n d i m p l e m e n t e d n e s t e d l o c k s a s a s i n g l e t r a n s a c t i o n

a r o u n d t h e o u t e r m o s t .

2

I i n s t r u m e n t e d t h i s t r a n s f o r m e d p r o g r a m t o p r o -

d u c e a t r a c e o f m e m o r y r e f e r e n c e s a n d t r a n s a c t i o n b o u n d a r i e s f o r a n a l y s i s .

I f o u n d b o t h l a r g e t r a n s a c t i o n s ( i n v o l v i n g m i l l i o n s o f c a c h e l i n e s ) a n d f r e -

q u e n t t r a n s a c t i o n s ( u p t o 4 5 m i l l i o n o f t h e m ) . W e w i l l s h o w t h a t t h e s e

p r o p e r t i e s a r e n o t u n u s u a l f o r t y p i c a l a p p l i c a t i o n s .

T h e S P E C j v m 9 8 b e n c h m a r k s u i t e r e p r e s e n t s a v a r i e t y o f t y p i c a l J a v a a p -

p l i c a t i o n s t h a t u s e t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e J a v a s t a n d a r d l i b r a r y . A l t h o u g h

t h e S P E C j v m 9 8 b e n c h m a r k s a r e l a r g e l y s i n g l e - t h r e a d e d , t h e y c o n t a i n s y n -

c h r o n i z e d c o d e w i t h i n t h e t h r e a d - s a f e J a v a s t a n d a r d l i b r a r i e s w h i c h i s t r a n s -

f o r m e d i n t o t r a n s a c t i o n s . B e c a u s e i n t h i s e v a l u a t i o n I a m l o o k i n g a t t r a n s -

a c t i o n p r o p e r t i e s o n l y , t h e m u l t i t h r e a d e d 227 mtrt b e n c h m a r k i s i d e n t i c a l

t o i t s s e r i a l i z e d v e r s i o n , 205 raytrace . F o r c o n s i s t e n c y , I p r e s e n t o n l y t h e

l a t t e r .

1

T h e J a v a 5 . 0 r e v i s i o n o f t h e J a v a m e m o r y m o d e l [ 6 8 { 7 0 ] n a r r o w s t h e s e m a n t i c g a p .

T h e f u l l m e m o r y m o d e l i n c l u d e s d e t a i l s | s u c h a s volatile e l d s | w h i c h I d o n o t t r e a t

i n t h i s w o r k . S e c t i o n 8 . 3 d i s c u s s e s t h e c h a l l e n g e s i n v o l v e d i n a u t o m a t i c t r a n s a c t i c a t i o n ,

a n d [ 4 1 ] c o n t a i n s a f u l l e r d i s c u s s i o n o f t h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t r a n s a c t i o n s a n d h i g h - l e v e l

m e m o r y m o d e l s .

2

S e e S e c t i o n 4 . 2 f o r m o r e d e t a i l s o n t h i s t r a n s f o r m a t i o n .

3 4


35/214

3 . 1 . F I N D I N G T R A N S A C T I O N S

t o t a l t r a n s a c t i o n a l b i g g e s t

p r o g r a m m e m o r y o p s t r a n s a c t i o n s m e m o r y o p s t r a n s a c t i o n

201 compress 2 , 9 8 1 , 7 7 7 , 8 9 0 2 , 2 7 2


36/214

C H A P T E R 3 . D E S I G N I N G A S O F T W A R E T R A N S A C T I O N S Y S T E M

F i g u r e 3 . 1 s h o w s t h e r a w s i z e s a n d f r e q u e n c y o f t r a n s a c t i o n s i n t h e t r a n s -

a c t i e d S P E C j v m 9 8 s u i t e . B e c a u s e t h e r u n t i m e s o f t h e b e n c h m a r k s a r e

r o u g h l y c o m p a r a b l e ,

3

t r a n s a c t i o n c o u n t i s a l s o a n i n d i c a t o r o f t r a n s a c t i o n

r a t e . F i g u r e 3 . 2 p r o p o s e s a t a x o n o m y f o r J a v a a p p l i c a t i o n s w i t h t r a n s a c -

t i o n s , g r o u p i n g t h e S P E C j v m 9 8 a p p l i c a t i o n s i n t o q u a d r a n t s b a s e d o n t h e

n u m b e r a n d s i z e o f t h e t r a n s a c t i o n s t h a t t h e y p e r f o r m . A p p l i c a t i o n s i n

Q u a d s I I a n d I V r e q u i r e a n e c i e n t t r a n s a c t i o n i m p l e m e n t a t i o n , b e c a u s e

t h e y c o n t a i n m a n y t r a n s a c t i o n a l o p e r a t i o n s . Q u a d s I I I a n d I V c o n t a i n a t

l e a s t s o m e l a r g e t r a n s a c t i o n s , w h i c h p o s e d i c u l t i e s f o r c u r r e n t l y p r o p o s e d

h a r d w a r e t r a n s a c t i o n a l m e m o r y s c h e m e s . W e n o w e x a m i n e t h e b e n c h m a r k s

i n e a c h q u a d r a n t t o d e t e r m i n e w h y i t s p r o g r a m l o g i c c a u s e d i t t o b e c l a s s i e d

i n t h a t q u a d r a n t .

Q u a d I a p p l i c a t i o n s p e r f o r m f e w ( u p t o a b o u t 2 0 0 0 ) s m a l l t r a n s a c t i o n s .

T h e s e a p p l i c a t i o n s i n c l u d e 201 compress, a n i m p l e m e n t a t i o n o f g z i p c o m -

p r e s s i o n , a n d 222 mpegaudio, a n M P 3 d e c o d e r . B o t h o f t h e s e a p p l i c a t i o n s

p e r f o r m i n h e r e n t l y s e r i a l t a s k s . T h e y p e r f o r m q u i t e w e l l w i t h l o c k s , a n d

w o u l d l i k e l y e x e c u t e w i t h a c c e p t a b l e p e r f o r m a n c e e v e n w i t h a n a i v e s o f t w a r e

i m p l e m e n t a t i o n o f t r a n s a c t i o n s , a s l o n g a s t h e i m p a c t o n n o n t r a n s a c t i o n a l

o p e r a t i o n s w a s m i n i m a l .

Q u a d I I a p p l i c a t i o n s p e r f o r m a l a r g e n u m b e r o f s m a l l t r a n s a c t i o n s . T h e

e x p e r t s y s t e m 202 jess f a l l s i n t h i s c a t e g o r y , a s d o e s t h e p a r s e r g e n e r a t o r

228 jack a n d s m a l l i n p u t s i z e s o f 209 db, a d a t a b a s e . T h e s e b e n c h m a r k s

p e r f o r m a t l e a s t a n o r d e r o f m a g n i t u d e m o r e t r a n s a c t i o n s t h a n Q u a d I a p -

p l i c a t i o n s , a n d a l l o f t h e t r a n s a c t i o n s a r e s m a l l e n o u g h t o c o m f o r t a b l y t

t h e k n o w n h a r d w a r e t r a n s a c t i o n a l m e m o r y s c h e m e s [ 4 9 , e t c ] , i f o n e w e r e t o

b e i m p l e m e n t e d .

Q u a d I I I i n c l u d e s 205 raytrace, a r a y - t r a c i n g r e n d e r e r . A s m a l l n u m b e r

o f t r a n s a c t i o n s a r e p e r f o r m e d , b u t t h e y m a y g r o w l a r g e . E x i s t i n g b o u n d e d

3

T h e c a n o n i c a l r u n t i m e s u s e d f o r c o m p u t a t i o n o f t h e S p e c r a t i o r a n g e f r o m 3 8 0 t o

1 1 7 5 s e c o n d s . S o r t e d b y r u n t i m e :

202 jess, 3 8 0 s ;

213 javac, 4 2 5 s ;

228 jack, 4 5 5 s ;

227 mtrt, 4 6

Architectural and Compiler Support for Strongly Atomic Transactional Memory

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