TPDS 2024 Paper 论文阅读笔记整理
问题
持久存储器（PM）具有接近DRAM的性能和数据持久性，配备PM的平台支持异步DRAM刷新（ADR）功能[2]，确保PM DIMM的内容以及已到达内存控制器的写挂起队列（WPQ）的写入在电源故障时仍然有效。但CPU缓存中的写入仍然是不稳定的，需要明确的缓存行刷新指令和内存屏障来保证数据的持久性。
最近，名为扩展ADR（eADR）的新功能可用于PM平台[3]，eADR保证CPU缓存中的数据在崩溃后可以刷新到PM。确保了CPU缓存中数据的持久性，并消除了昂贵的同步刷新。eADR的出现为构建无锁数据结构和释放PM的全部潜力提供了独特的机会。
现有方法局限性
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现有的持久索引并发效率低下。锁在持久索引中广泛使用，因为现有的原语不能在基于ADR的平台上原子地修改和持久化数据。原子CPU硬件原语，如Compare-And-Swap（CAS），可以原子性地修改数据，但不能保证其持久性，因为CPU缓存是易失的。因此，如果没有锁，在另一个线程进行依赖读取之前，存储可能没有持久化，导致脏读。eADR缩小了CPU缓存中数据的可见性和持久性之间的差距，确保线程始终读取持久性数据，为开发高效无锁数据结构提供机会。
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现有的持久索引给PM访问带来了很高的开销。之前方法通过减少缓存行刷新指令的数量来降低PM开销，因为数据刷新是基于ADR的PM系统的主要瓶颈[7]。使用eADR后，不需要向PM进行显式数据刷新。然而，索引操作和内存管理中的PM访问阻碍持久索引的有效性，因为PM的读取延迟比DRAM高，带宽比DRAM低[17，18，19]。特别是对于写操作，由于CPU缓存容量有限，脏缓存行最终将被写回PM，这会消耗稀缺的PM写带宽。为了充分挖掘具有持久CPU缓存的PM系统的潜力，需要进一步提高缓存利用率，并尽量减少持久索引中的PM访问。
本文方法
本文提出了NBTree，一种无锁、PM友好的B+树，以提供高可扩展性和低PM开销。
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为了高可扩展性，提出无锁的并发控制协议。对于叶节点操作，采用日志结构的插入和原地更新/删除，结合CAS原语，支持无锁访问。当插入的叶节点已满时，用新叶节点替换旧叶节点，并通过结构修改操作（SMO）保持节点的平衡。NBTree提出了三种新技术（三阶段SMO、写同步和读同步）来处理叶节点无锁访问期间的潜在异常：（1）叶节点的并发更新和删除导致的更新丢失。利用三阶段SMO和写同步来解决。在SMO期间对叶节点进行更新或删除时，原地修改旧叶节点，修改要么通过三阶段SMO被动迁移到新叶节点，要么使用写同步主动同步到新叶节点。（2） 并发搜索操作导致读取不一致。无锁搜索可能会读取未提交的脏数据或过时数据，使用读同步来检测和解决。为了减少尾延迟，提出了协作SMO，使对同一SMO叶节点的并发插入协同工作。对于内部节点操作，应用硬件事务存储器（HTM）[20]来实现原子写入。同时设计了移位感知搜索算法，以确保无锁内部节点搜索到达正确的叶子。
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为了减少PM开销，尽量减少了PM访问，并提高PM写入的局部性。采用解耦的叶节点架构来减少索引操作中的PM行访问，将叶节点的元数据和键值对解耦，元数据层与内部节点一起存储在DRAM中，PM只包含键值层。提出了缓存持久分配器（Calloc），以增强持久内存管理元数据修改的局部性。Calloc采用全局分配位图、回收的环形缓冲区和可回收日志，充分利用持久CPU缓存来吸收分配、释放和日志记录过程中发生的大部分PM写入，从而节省PM写入带宽。同时，NBTree采用日志结构的插入和就地更新来提高NBTree中写入操作的局部性，减少偏斜工作负载中的PM写入。
评估表明，在YCSB工作负载下，NBTree的吞吐量比最先进的持久B+树高11倍，99%尾延迟低43倍。
总结
针对DRAM和PM结合的场景，由于DRAM中缓存无法持久化，必须同步刷新到PM中，新推出的eDAR功能，该功能保证CPU缓存可以在崩溃后刷新到PM中。本文利用eDAR，提出了NBTree，无锁、PM友好的B+树，以提供高可扩展性和低PM开销。包括两个技术：（1）高可扩展性，提出无锁并发控制协议。对于叶节点操作，采用日志结构的插入和原地更新/删除，结合CAS原语，支持无锁访问。（2）减少PM开销，将叶节点的元数据和键值对解耦，元数据与内部节点一起存储在DRAM中，键值层存储在PM。提出了缓存持久分配器，利用持久CPU缓存来吸收分配、释放和日志记录过程中的大部分PM写入。采用日志结构的插入和原地更新来提高局部性。
