잠금없는 컬렉션에 대한 제한이 있습니까?

David Rodríguez-dribeas는 StackOverflow에 대해 "모든 컬렉션을 잠금없이 구현할 수있는 것은 아닙니다"라고 언급 했습니다. 이것이 사실인지 확실하지 않으며 어느 쪽의 증거도 찾을 수 없습니다.

이 문장은 매우 정확하지는 않지만 조금 더 공식적인 방식으로 다시 표현해 보도록하겠습니다. 모든 컬렉션 유형마다 동일한 작업 집합을 제공 C하는 잠금없는 컬렉션 유형 C_LF 가 있으며 C_LF 에서 각 작업이 수행되는 위치 의 해당 작업과 동일한 big-O 복잡성을 갖습니다 C.

그건 그렇고, 나는 변화를 기대하지 않습니다.

— MSalters
소스

비전문가로서 "자유없는"을 엄격하게 정의 할 수 있을지 궁금합니다.

— Ito Tsuyoshi

@Suresh : "데이터 구조"와 동의어일까요?

— Ito Tsuyoshi

STM (소프트웨어 트랜잭션 메모리)을 잠금없이 구현하고 그 위에 데이터 구조를 구현하면 어떨까요?

— Jukka Suomela

@ 츠요시 : 잠금없는 공식적인 정의가 없다고 생각합니다. 비공식적으로, 그것은 CPU의 LOCK 명령을 사용하지 않는다는 것을 의미합니다. 이는 느리고 더 빠른 비교 및 스왑을 고수합니다. LOCK은 비교 및 스왑으로 시뮬레이션 할 수 있기 때문에 "잠금 (또는 그 문제에 대한 트랜잭션)을 시뮬레이션하기 위해 여기에서 비교 및 스왑을 사용합니다"와 "오, 이것은 비교와 스왑을 영리하게 사용하며, 우리가 알고있는 더 높은 수준의 작업을 시뮬레이션하는 것처럼 보이지 않습니다. "

— Radu GRIGore

내가 이해하는 한, lock-free는 여기서 non-blocking과 동의어로 이해됩니다. 이것은 LOCK뮤텍스 / 세마포어 / 등을 통해 CPU의 명령이 아니라 스레드 스케줄러와 관련이 있습니다.

— MSalters

답변:

나는 다소 혼란 스러웠 기 때문에 질문에서 몇 가지 개념을 명확하게 설명하는 것으로 시작합니다.

수집 . 데이터 구조에서 일반적으로 일어나는 일을 간단히 요청할 수있을 때 "수집"의 의미를 엄격하게 정의하는 데 시간을 할애 할 이유가 없습니다. 데이터 구조는 하나의 메모리를 차지하며 해당 메모리에 액세스 할 수 있고 사용자 가 호출 할 수있는 일부 작업 이 있습니다 . 이러한 사용자는 별개의 프로세서 일 수도 있고 다른 스레드 일 수도 있지만 걱정하지 않아도됩니다. 중요한 것은 작업을 병렬로 실행할 수 있다는 것입니다.

잠금이없는 . Herlihy와 Boss 는 충돌하는 사용자가 데이터 구조의 추가 사용을 막지 않으면 데이터 구조에 잠금이 없다고 말합니다. 예를 들어, 정렬 된 세트에 노드를 삽입하는 도중에 프로세서에 물을 붓는다 고 가정하십시오. 다른 프로세서가 나중에 해당 정렬 세트에 삽입하려고하면 성공해야합니다. ( 편집 : 이 정의에 의하면, 데이터 구조가 사용 잠금 후 잠금 부담하지 않으면 그 경우이지만이다 하지 데이터 구조는 잠금을 사용하지 않는 경우는 로크 무료 인 경우).

이러한 정의를 통해 Herlihy와 Boss는 기본적으로 중요한 지역을 거래로 전환하는 것이라고 대답합니다.

그러나 당신은 이것이 복잡할까요? 나는 그 질문이 의미가 있는지 확신하지 못한다. 고려하십시오 push(x) { lock(); stack[size++] = x; unlock(); }. 이것이 일정한 시간 작동입니까? 잠금 작업을 무시하고 다른 사용자가 있으면 예라고 대답 할 수 있습니다. 다른 사용자를 무시하지 않으려면 푸시 가 일정한 시간에 실행 될지 여부를 실제로 말할 방법이 없습니다 . 한 수준 위로 올라가 특정 알고리즘에서 스택이 어떻게 사용되는지 볼 경우 푸시 는 항상 일정한 시간이 걸린다고 말할 수 있습니다 (병렬 알고리즘의 입력으로 발생하는 모든 측면에서 측정 됨). 그러나 이것은 실제로 알고리즘의 속성이므로 푸시 가 일정한 시간 작업 이라고 말하는 것은 합리적이지 않습니다 .

요약하면, 작업을 실행하는 사용자가 다른 사용자를 기다리는 정도를 무시하면 중요 지역 대신 트랜잭션을 사용하여 질문에 긍정적으로 대답합니다. 대기 시간을 무시하지 않으면 데이터 구조가 어떻게 사용되는지 살펴 봐야합니다.

— 라두 GRIGore
소스

push위에서 설명한 작업이 일정한 시간 작업이 아니라고 실제로 생각할 수 있는지 여부는 확실 하지 않습니다. 고정 된 수의 프로세서와 그 구현이 lock굶주림을 보장하지 않는 경우 위의 작업 (최악의 경우 주어진 프로세서의 경우 N_proc * O (1)이 필요합니다. 이는 순진하게 O (1) ( 숨겨진 상수로 처리되는 프로세서 수)

— David Rodríguez-dribeas

n

$n$

f (n)

$f(n)$

f

$f$

글쎄, 메모리 액세스는 일반적인 경우입니다. 대부분의 알고리즘 분석은 메모리 액세스가 사용 된 메모리와 독립적으로 O (1)이라고 가정합니다. 실제 메모리 아키텍처 (캐시 등)는 O가 사용하는 메모리 인 O (log N)에 의해 더 근사합니다.

— MSalters

프로세서의 수가 일정하다는 가정은 상당히 실용적이지만 피할 것입니다. 문제는 문제의 크기가 입력의 크기와 프로세서의 수 모두에서 직교하는 크기로 커질 수밖에 없기 때문에 복잡성을 일차원적인 방식으로 분석 할 수 없다는 것입니다. C ++ 표준 라이브러리의 특정 컨테이너 (어려운 것을 고르고 있습니다)를 가정 할 때 요구 사항 중 하나는 모든 요소가 인접한 메모리 블록에 있어야한다는 것입니다.

— David Rodríguez-dribeas

이제 벡터에 요소를 추가하는 것은 상각 된 상수 시간 연산입니다 (이전에 할당 된 블록에 맞지 않으면 호출은 컨테이너의 요소 수에 선형 시간이 걸리지 만 예약 된 메모리 블록이 지수 순서에 따라 획득하면 상각 비용은 일정합니다. 스레드 안전 컨테이너를 구현하면 잠금을 수행 한 다음 변경을 수행하면 작업 비용은 잠금 비용에 비례합니다. 실제로 알지 못하지만 첫 번째 근사에서는 대부분 고려할 수 있습니다 상수

— David Rodríguez-dribeas

"COLLECTIONS"는 "큐, 스택, 링크 된 목록, 트리 등"을 의미한다고 생각합니다.

에서 http://www.cl.cam.ac.uk/research/srg/netos/lock-free/

신중한 설계 및 구현을 통해 잠금 또는 블록 스레드를 관리 할 필요없이 동시 사용에 안전한 데이터 구조를 구축 할 수 있습니다. 이러한 비 차단 데이터 구조는 추가 동시성을 허용하여 성능을 향상시키고 로컬 설정의 우선 순위 반전으로 인한 일부 문제 나 분산 시스템의 시스템 및 링크 오류로 인한 견고성을 개선함으로써 견고성을 향상시킬 수 있습니다.

우리의 비 차단 알고리즘에 대한 가장 좋은 소개는 현재 제출중인 잠금없는 종이 동시 프로그래밍 (Concurrent programming)입니다.

"lock-free"가 "오퍼레이팅 시스템의 세마포어, 뮤텍스, 모니터 등을 사용하지 않음"을 의미 하는 경우 모든 읽기가 원자 적 읽기-쓰기- 하드웨어가 지원해야하는 기본 요소를 수정하십시오.

$O(\cdot)$

주제에 대한 포괄적 인 문서는 온라인에서 찾을 수 있습니다.

http://www.google.it/search?q=lock+free+algorithm+filetype%3Apdf

(... 및 각 문서 끝에 추가 참조 사항)

— 마르 지오 데 비아시
소스