Поток управления для транзакции или поток управления для данных?
В этой статье мы утверждаем, что основной причиной проблемы конфликтов являются некоординированные обращения к данным, характерные для традиционных систем обработки транзакций. В этих системах каждой транзакции назначается некоторый рабочий поток управления; этот механизм мы называем назначением потоков управления транзакциям. Поскольку каждая транзакция выполняется в отдельном потоке управления, потоки управления конфликтуют между собой при доступе к совместно используемым данным.
Схемы доступа к данным у каждой транзакции и, следовательно, у каждого потока управления являются произвольными и некоординированными. Для обеспечения целостности данных каждый поток управления при выполнении соответствующей транзакции на короткое время входит в большое число критических участков. Однако для входа в критический участок и выхода из него требуется закрытие и открытие соответствующей "защелки" (latch), и накладные расходы на совершение этих действий возрастают при росте числа параллельных потоков управления.
Рис. 1. DORA в сравнении с традиционной системой при рабочей нагрузке, состоящей из транзакций GetSubscriberData тестового набора TM1: (a) пропускная способность в соответствии с коэффициентом использования процессора при возрастании этого коэффициента; (b) распределение времени традиционной системы; (c) распределение времени прототипа DORA.
Чтобы можно было оценить влияние на производительность накладных расходов на конкуренцию за вход в критические участки, на рис. 1(a) показана производительность традиционного менеджера хранения данных в соответствии с коэффициентом использования процессора при возрастании этого коэффициента. Рабочая нагрузка основана на клиентах, постоянно запускающих транзакции GetSubscriberData из эталонного тестового набора TM1 (подробности об используемой методологии см. в разд. 5). По мере возрастания коэффициента использования машины производительность системы в соответствии с этим коэффициентом падает. При использовании всех 64 аппаратных контекстов производительность в расчете на один контекст падает более чем на 80%.
Как показывает рис. 1(b), в общем времени работы системы быстро начинает доминировать конкуренция внутри менеджера блокировок. Каждый из 64 аппаратных контекстов тратит более 85% своего времени выполнения на потоки управления, ожидающие входа в критические участки внутри менеджера блокировок.
Основываясь на том наблюдении, что некоординированный доступ к данным приводит к высокому уровню конкуренции, мы предлагаем для снижения этого уровня архитектуру системы, ориентированную на данные (data-oriented architecture, DORA). Вместо связывания каждого потока управления с некоторой транзакцией, в DORA каждый поток управления связывается с некоторой отдельной частью базы данных. Транзакции переходят из одного потока управления в другой поток, когда им требуется обращаться к другим данным; мы называем этот механизм назначением потоков управления данным. DORA разбивает транзакции на более мелкие действия в соответствии с тем, к каким данным они обращаются, и направляет их для выполнения в соответствующие потоки управления. По сути, вместо "вытягивания" (pull) данных (записей базы данных) к вычислениям (транзакциям) DORA распределяет вычисления в соответствии с отображением данных на потоки управления.
В системе, основанной на назначении потоков управления данным, можно использовать регулярные паттерны доступа к данным, что снижает нагрузку конфликтующих компонентов. В DORA каждый поток управления координирует доступ к своей части данных с использованием частного механизма блокировок. За счет ограничения взаимодействий потоков управления с централизованным менеджером блокировок DORA устраняет конкуренцию внутри него (рис. 1(с)) и обеспечивает лучшую масштабируемость (рис 1(a)).
Рис. 2. Распределение времени традиционной системы обработки транзакций и прототипа DORA при полном использовании всех 64 аппаратных контекстов чипа Sun Niagara II при пропуске (a) тестового набора TM1 и (b) транзакций OrderStatus тестового набора TPC-C.
В DORA используется высокопропускной механизм коммуникаций с малыми задержками между ядрами многоядерной системы.Транзакции переходят от одного потока управления к другому потоку с минимальными накладными расходами, поскольку в каждом потоке управления производится доступ к отдельной части базы данных. На рис. 2 сравнивается распределение времени традиционной системы управления транзакциями и прототипной реализации DORA при использовании всех 64 аппаратных контекстов чипа Sun Niagara II при пропуске тестового набора TM1 компании Nokia и транзакций OrderStatus тестового набора TPC-C [20]. В прототипе DORA устраняется конкуренция в менеджере блокировок (рис. 2(a)). Кроме того, централизованное управление блокировками заменяется облегченным механизмом блокирования, локальным для потоков управления (рис. 2(b)).
