ClojureではじめるSTM入門

ClojureではじめるSTM入門
@athos0220
並列/並行基礎勉強会

自己紹介
@athos0220

趣味でClojure触ってます

正直STMとかまともに使ったことないわー

付け焼刃に勉強したので間違ってるところあ
るかも(´・ω・`)

→生温かくご指摘お願いします

STMとは
Software Transactional Memory
ソフトウェアトランザクショナルメモリは、データベーストラン
ザクションに似た並行性制御機構であり、並列計算を行う際の
共有メモリへのアクセス法である。
この機構はロックベースの同期を用いた並行性制御の代替手段と
して機能し、ノンブロッキングな方法で実装される物もある。
Wikipediaより

楽観的：
他のスレッドを気にせずとりあえず実行してみる
変なことになったらリトライする

最近盛んに研究されている(らしい)

ロックの利点と欠点
利点

いつロックを取得し、解除するかを陽に制御できる

開発者にとって馴染みがある方法

多くのプログラミング言語でサポートされている

欠点

ロックのとる順序によってデッドロックが起こる

優先度逆転が起こる

composableでない

STMの利点と欠点
利点

デッドロックや優先度逆転が起きない

楽観的なので並行性が向上する

composableである(ネストできる)

欠点

リトライが頻発することでパフォーマンスが悪くなる

余分なオーバーヘッドがかかる

トランザクション内では副作用を避ける必要がある

各言語での対応状況
言語(処理系)組込み

Clojure, Haskell, Perl6(Pugs)

ライブラリ

C, C++, C#, Common Lisp, Java, OCaml,
Python, Scala, Smalltalk

どの入門書にもSTMの解説があるのはClojure
だけ

STMの基本構文・関数
(dosync <body>)：<body>をトランザクションで
実行

(ref <val>)：トランザクション内で変更が可能な
参照(Ref型)を生成

(deref <ref>)：Refにくるまれた値をデリファレ
ンス。@<ref>は糖衣構文

(ref-set <ref> <val>)：Refの値を変更する。
dosyncの外で使うとエラーになる

STMを使ったコード
(def counter (ref 42))
counter

42
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(let [v @counter] (let [v @counter]
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(ref-set counter (ref-set counter
(inc v))))) (inc v)))))

counter

42
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

42

counter

42
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

42 42

counter

42
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

43 42

counter

42
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

43 この時点の変更はBからは見えない
42

counter

42
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

43 他で値が変更されていなければコミット
42

counter

43
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

43 コミット！ 42

counter

43
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

42

counter

43
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

43

counter

43
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

Aが値を変更したので失敗 43

counter

43
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

トランザクションを最初からやり直す 43

counter

43
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

44

counter

44
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= v 100) (when (<= v 100)
(inc v))))) (inc v)))))

コミット！ 44

ClojureのSTM観
Thread A Thread B
a
... @a ...
... (ref-set a ...) ...
... (ref-set b ...) ...
b
... (ref-set b ...) ...
... (ref-set c ...) ... c
トランザクションは更新するRefを集めていく
途中で他のトランザクションが手を出しているRefに触ったらアボート
→リトライ
すべてのRefを集めて最後まで行ければゴール→コミット

ClojureのSTM観
Thread A Thread B
a
... @a ...
... (ref-set a ...) ...
... (ref-set b ...) ...
b
... (ref-set b ...) ...
... (ref-set c ...) ... c
トランザクションは更新するRefを集めていく
途中で他のトランザクションが手を出しているRefに触ったらアボート
→リトライ
すべてのRefを集めて最後まで行ければゴール→コミット

writeが多いとリトライが頻発して性能低下

Version Clock
すべてのトランザクションで共有するクロック

トランザクションの開始やリトライ、コミット
のたびにインクリメントされる

各トランザクションは自分が開始されたときの
クロックの値を記録する

コミット時にはそのときのクロックの値をRefに
記録する

Ref
いわゆるAtomic Object

主に以下で構成されている

値の履歴をもつリングバッファ

ref-setしたが未コミットのトランザクション

Refを参照・更新する際に使われるロック

in-transaction values
トランザクション内でアクセスしたRefとその値
をローカルに記録する

Refを更新するときはローカルな値を更新する

Refから値を読み出すとき、

ローカルな値があればそれを読み出す

なければ、Refの履歴をたどってトランザ
クション開始以前の値を読み出す

MVCC
多版型同時実行制御 (Multiversion Concurrency Control)

トランザクションの実行中、他のトランザクションが既に
更新した値を読み出すと一貫性がなくなる

これを防ぐには以下のような方法がある(2つめがMVCC)

他が更新済みの値を読み出そうとした時点でアボート
してリトライ

値の履歴をとっておいて、トランザクション開始時ま
でって値を読み出す

1つめの方法はリトライの可能性が高くなる

write skew
MVCCで起こる現象

複数のトランザクション間で不変条件を破るような変更が行
われたときに発生
不変条件

@a + @b <= 3
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= (+ @a @b) 2) (when (<= (+ @a @b) 2)
(ref-set a (inc a)))) (ref-set b (inc b))))

write skew
MVCCで起こる現象

複数のトランザクション間で不変条件を破るような変更が行
われたときに発生
不変条件

@a + @b <= 3
Thread A Thread B

(dosync (dosync
(when (<= (+ @a @b) 2) (when (<= (+ @a @b) 2)

AとBで違うRefを変更しているので両者ともコミットに成功する
コミット後、不変条件は成り立たなくなる

ensure
write skewの問題は、暗に存在する「コミットする
まで変更されない」という条件が破られるために発
生する
Clojureでは (ensure <ref>) で、それ以降コミットが
完了するまで<ref>が変更されないことを保証する
Thread A Thread B
(dosync (dosync
(when (<= (+ @a @b) 2) (when (<= (+ @a @b) 2)
(ensure b) (ensure a)
ensureしているRefが他方に変更されればリトライ

Contention management
Thread A Thread B
a
... @a ...
... (ref-set a ...) ...
... (ref-set b ...) ...
b
... (ref-set b ...) ...
... (ref-set c ...) ... c

Thread A Thread B
a
... @a ...
... (ref-set a ...) ...
... (ref-set b ...) ...
b
... (ref-set b ...) ...
... (ref-set c ...) ... c

2つのトランザクションが同じRefをつかもうとしたとき、どちら
を生かし、どちらをアボートするか？

Thread A Thread B
a
... @a ...
... (ref-set a ...) ...
... (ref-set b ...) ...
b
... (ref-set b ...) ...
... (ref-set c ...) ... c

2つのトランザクションが同じRefをつかもうとしたとき、どちら
を生かし、どちらをアボートするか？

戦略次第で性能が大きく左右される

Contention managementの戦略


Agressive: 相手を殺す



Polite: 自分が死ぬ




Karma: あまり仕事をしていない方が死ぬ





Priority: 年功序列。若いやつが死ぬ





Priority: 年功序列。若いやつが死ぬ

ClojureのContention managementはPriority＋α

まとめ
ロックを使って同期するのは辛い

STM！STM！

Clojureなら初心者でもSTM使えます

ただし、writeが多いと性能低下するなど、問題
点もある → 銀の弾丸ではない

しかし、将来的にはGCのように適用範囲は広
がっていくのでは…？

参考文献

M. Herlihy and N. Shavit. “The Art of Multiprocessor Programming,
Revised Reprint.” Morgan Kaufmann Publishers Inc. 2012

M. Fogus and C. Houser, “The Joy of Clojure.” Manning Pubns Co.
2011

Nielsen, Peder RL, and Patrick T. Kristiansen. "Benchmarking
Contention Management Strategies in Clojure’s Software." Artiﬁcial
Intelligence 8.3 (1977): 323-364.

R. Mark Volkmann. “Software Transactional Memory.” http://
java.ociweb.com/mark/stm/article.html

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