Аппаратное ускорение STM.
Основным источником накладных расходов STM является поддержка и проверка наборов прочитанных объектов. Для поддержки такого набора в системе STM обычно вызывается специальная подпрограмма при каждом чтении из совместно используемой памяти. Эта подпрограмма регистрирует адрес соответствующего объекта и, возможно, выполняет раннее обнаружение конфликта путем проверки версии объекта или наличия блокировки. Для валидации транзакции система STM должна проверить весь набор прочитанных объектов и убедиться в том, что ни для одного из них нет конфликта. Выполнение этих инструментальных действий может стать большим накладным расходом, если транзакция после каждого обращения к памяти не производит большой объем вычислений.
Система STM с аппаратным ускорением (hardware-accelerated STM, HASTM), предложенная Саха (Saha) и др. [26], была первой системой, где для снижения накладных расходов инструментария STM использовалась аппаратная поддержка. Вспомогательная аппаратура позволяет программному обеспечению построить быстрые фильтры, которые могут ускорить действия, требуемые для поддержки наборов прочитанных объектов. HASTM обеспечивает для STM две возможности на основе поддержки битов пометки потоков управления на уровне блоков кэша. Во-первых, программное обеспечение может проверить, не был бы ранее установлен бит пометки для данного блока памяти, и не производилась ли запись в этот блок в другом потоке после того, как он был помечен (выявление конфликта). Во-вторых, программное обеспечение может узнать, производилась ли запись в других потоках управления в какой-нибудь из блоков памяти, помеченных данным потоком (валидация).
В HASTM предлагалось реализовывать биты пометки за счет использования дополнительных метаданных для каждого блока процессорных кэшей многоядерного кристалла. Аппаратура отслеживает, не стал ли недействительным какой-либо помеченный блок кэша по причине выталкивания из кэша или записи, произведенной в него из другого потока управления. STM использует биты пометки следующим образом.
При вызове подпрограммы чтения проверяется и устанавливается бит пометки для блока памяти, содержащего заголовок соответствующего объекта. Если бит пометки уже установлен, т.е. данная транзакция ранее уже обращалась к объекту, то этот объект не добавляется к набору прочитанных объектов. Для валидации транзакции STM выясняет с помощью аппаратуры, стал ли недействительным какой-либо помеченный блок кэша. Если это не произошло, то значит все объекты, к которым производился доступ через инструментарий STM, являлись частными для данного потока управления в течение всего выполнения транзакции, и никакая дальнейшая валидация не требуется. Если некоторые помеченные блоки стали недействительными, система STM должна производить программную валидацию, проверяя номера версий или наличие блокировок для всех объектов из набора прочитанных объектов. На этом дорогостоящем шаге валидации определяется, был ли помеченный блок вытолкнут из кэша из-за его ограниченной емкости или из-за наличия реального конфликта между одновременно выполняемыми транзакциями.
HASTM допускает возникновение при выполнении транзакций системных событий, таких как прерывания, переключения контекста и страничные отказы, поскольку биты пометки действуют всего лишь как фильтр. Если обработка системного события приводит к выталкиванию некоторых помеченных блоков, то незавершенная транзакция может продолжить свое последовательное выполнение без аварийного завершения. К такой транзакции просто будет применена программная валидация до ее фиксации. Аналогично, HASTM допускает приостановку транзакций и их обследование такими компонентами, как сборщик мусора или отладчик, выполняемыми в другом потоке.
Ускорить выявление конфликтов в STM можно и без модификации аппаратных кэшей. Кэши первого уровня обычно располагаются в критическом контуре процессора и взаимодействуют со сложными подсистемами, такими как подсистема поддержки протокола согласованности кэшей. Даже незначительные изменения в аппаратуре кэша могут повлиять на тактовую частоту процессора и повысить сложность его разработки и верификации.
Као Минь (Cao Minh) и др. [22] предложили подход к ускорению систем STM на основе сигнатур (SigTM). При этом подходе для пессимистического кодирования множеств прочитанных и измененных объектов программных транзакций используются аппаратные сигнатуры. Сигнатуры вычисляются вне кэшей с применением аппаратного фильтра Блюма. (Фильтр Блюма (Bloom filter) позволяет эффективно представлять надмножество элементов множества и быстро устанавливать, входит ли в это множество заданный элемент. Использование фильтров Блюма для обнаружения зависимостей при управлении выполнением нитей и транзакций было впервые предложено Сезом (Ceze) и др. [6].) Программный инструментарий обеспечивает фильтрам адреса объектов, читаемых или изменяемых внутри транзакции. Для распознавания конфликтов аппаратура компьютера отслеживает трафик протокола поддержки согласованности кэшей, обнаруживая в нем запросы монопольного доступа к блокам кэша, что означает изменение памяти. Анализируя сигнатуры транзакции, аппаратура проверяет, не может ли относиться адрес, содержащийся в запросе, к наборам прочитанных или измененных объектов этой транзакции. Если да, то считается, что обнаружен потенциальный конфликт, и система STM может либо аварийно завершить транзакцию, либо прибегнуть к программной валидации.
И HASTM, и SigTM ускоряют поддержку наборов прочитанных объектов и валидацию в системах STM. Тем не менее, между этими подходами имеются архитектурные различия. SigTM кодирует наборы прочитанных и измененных объектов, размеры которых превышают размеры частных кэшей. Ограниченная емкость кэша и промахи при обнаружении конфликтов не приводят к потребности программной валидации, как при использовании HASTM. С другой стороны, в SigTM используются вероятностные сигнатуры, в результате чего истинные конфликты никогда не упускаются, но из-за наложения адресов в фильтрах Блюма могут выявляться ложные конфликты. Кроме того, аппаратные сигнатуры относительно компактны, и их легко обрабатывать, так что их можно сохранять и восстанавливать при переключении контекста и обработке прерываний.В HASTM биты пометки могут быть утрачены, если процессор используется для выполнения другой задачи. С другой стороны, в сигнатурах SigTM отражаются физические адреса, и содержимое сигнатуры становится недействительным при изменении отображения виртуальных страниц.
Показано, что аппаратное ускорение управления наборами прочитанных объектов в два раза повышает производительность систем STM, основанных на блокировках, с непосредственным обновлением и отложенными изменениями [22, 26]. Возможны дополнительные усовершенствования с использованием аппаратных механизмов, которые поддерживают управление версиями объектов, изменяемых STM [31]. Однако, поскольку в большинстве программ читается гораздо больше объектов, чем изменяется, получаемое повышение производительности является незначительным.
