C++ Transactional Memory言語拡張の紹介

C++ Transactional Memory
言語拡張の紹介

2012/7/28
Boost.勉強会 #10 東京

はじめに

誰？
twitter @yohhoy / hatena id:yohhoy

何を？
C++11の”次”規格へ提案されている新機能の紹介
“ちょっと(?)未来”のお話です

どうして？
Google先生に聞いても情報がほとんど無い...
→ 勉強会駆動教えて君
2

情報源

”Draft Specification of Transactional Language
Constructs for C++”, Version 1.1, Feb. 3, 2012
https://sites.google.com/site/tmforcplusplus/
一部翻訳→ http://d.hatena.ne.jp/yohhoy/20120413/

N3341 Transactional Language Constructs for C++
http://www.open-std.org/jtc1/sc22/WG21/docs/papers/2012/

→ いきなり次世代標準規格C++1y入りは目指さず、
まずはTR(Technical Report)として提案される

3

もくじ

●
Transactional Memoryの概略
●
データベースシステムとの対比, 導入の目的
●
ACID特性, Composability

●
C++TM言語拡張は何を提供する／しないのか？
●
既存のロック, atomic変数との関係

●
C++TM言語拡張の新キーワード
●
__transaction_relaxed, __transaction_atomic
●
__transaction_cancel, C++例外との関係

4

Transactional Memory(TM)？

発祥はデータベースな世界の”トランザクション”から。
同時操作から“メモリ”というリソースの一貫性を保護。
DB 変数
A=0→ 1 x=0→1
DBMS B=0→1 メモリ x=0→1

T1:(write) T2:(read) T1: T2:
A=1 A= 1 x=1 x == 1
B=1 B=01 y=1 y == 0 1

処理1 処理2 処理1 処理2

5

TM導入の目的(1)

“The Free Lunch Is Over”
(Herb Sutter, 2005)
シングルスレッドな
プログラム性能は頭打ち

メニーコア時代の到来

メニーコアを活用する
プログラミングが必要
マルチスレッド
プログラミング
難しい！？

6

TM導入の目的(2)

Transactional Memoryとは
Programming Abstraction
●
並行処理の記述を容易にするプログラミング抽象
●
プログラマは一連の処理に対し”トランザクション”と宣言する

TMは特段新しいものではなく、既にいくつか実装系が存在
●
H/W: IBM BlueGene/Q, (Intel Haswell TSX), (AMD ASF ?)
●
S/W: Haskell, Clojure, 各ベンダC++STM, TBoost.STM

C++TM言語拡張の仕様へフィードバック

Intel's TSX = Transactional Synchronization Extensions
AMD's ASF = Advanced Synchronization Facility
7

TMとACID特性
“トランザクション”システムを名乗るからには...
Atomicity（原子性）
トランザクション内の処理は「全て処理される」か「全く処理
されない」のいずれか。（処理途中のキャンセルも含む）
Consistency（一貫性）
トランザクション処理前後でメモリ内容に一貫性がある。
（例：リンクリストのノードがポインタで正しくつながる）
Isolation（分離性）
トランザクション処理中の中間状態は他コードから見えない。
Durability（永続性）
→ “メモリ”なので電源きったらパア
8

Composability
Transactional Memoryがもたらす大きなメリット
トランザクションは安全に”入れ子”にできます。
幾つかの小さなトランザクションを束ねて、1つの大きなトラ
ンザクションを構成することが可能です。

デッドロックの恐怖から解放！

C++テンプレート駆使したGenericコードとも相性良い

Photo: espressoed/flickr 9

もくじ

●
●
●

●
●

●
●
●

10

Transactional Language Constructs for C++
が提供するもの(1)

C++TM言語拡張の仕様は...

トランザクションを表現する構文と、トランザクション
がどのように振舞うかのセマンティクスを定義する。
たったの35page！(1310page@C++11)
●
新しいキーワードを3つ追加 g++もClangも未実装
●
新しい属性を5つ追加
●
C++11で追加された”Generaized Attibuttes”構文を使います。
●
C++メモリモデルを拡張

11

が提供するもの(2) コードの雰囲気

キーワード [[transaction_safe]]
[[transaction_safe]]
●
__transaction_relaxed bool is_valid(Node *);
bool is_valid(Node *);
●
__transaction_atomic __transaction_atomic {
__transaction_atomic {
●
__transaction_cancel node->next = curr_node;
node->next = curr_node;
属性 curr_node->prev = node;
curr_node->prev = node;
●
outer
●
transaction_callable if (( !is_valid(node) ))
if !is_valid(node)
●
transaction_safe __transaction_cancel;
__transaction_cancel;
}}
●
transaction_unsafe
●
transaction_may_cancel_outer
12

が提供しないもの

C++TM言語拡張の仕様は...

TMをどのように実現するか(実装方法)を定義しない。
●
Software TM／Hardware TM, Hybrid TM
●
ワード単位／オブジェクト単位, 単一グローバルロック
●
楽観的／悲観的な同期戦略並行性無視でTMを実現
etc.

プログラマは「何を保護するか(what)」を記述し、
「どのように保護するか(how)」は処理系任せ。

13

Lock, atomic, TM
ロック（ミューテックス）
古典。構造的でないデータやGenericなコードでは使いに
くい。複数ロックで容易にデッドロック。
atomic変数
Lock-Free実装などで利用。Primitiveなため軽量かつ高
速。メモリモデルの理解なしに迂闊に手を出すと...死。
Transactional Memory
原理的にデッドロックしない。抽象度の高い記述ができ開
発効率向上*。実行時動作も十分に高速...？
(*) http://justingottschlich.com/wp-content/uploads/2012/05/2012.SG1_.tm_final.pdf

14

Lock, atomic, TM
ロック（ミューテックス）
古典。構造的でないデータやGenericなコードでは使いに
相
くい。複数ロックで容易にデッドロック。補
atomic変数的
に
Lock-Free実装などで利用。Primitiveなため軽量かつ高
共
速。メモリモデルの理解なしに迂闊に手を出すと...死。存
可
Transactional Memory 能
原理的にデッドロックしない。抽象度の高い記述ができ開
発効率向上*。実行時動作も十分に高速...？
動作速度はコンパイラや
ライブラリ実装による
15

もくじ

●
●
●

●
●

●
●
●

16

relaxed vs. atomic

2種類のトランザクションを提供

__transaction_relaxed
弱い分離性(Weak Isolation)。他のトラン
ザクション処理と分離して実行される。一方
非トランザクション処理とは干渉。
__transaction_atomic
強い分離性(Strong Isolation)。他の全て
のメモリアクセス操作と分離して実行され
る。
Photo: timsackton/flickr 17

relaxed, atomicとcancel

relaxed／atomicトランザクション内でできること

__transaction_relaxed
トランザクション内で任意の処理を実行可能。ファイル
I/Oといった非可逆な操作もOK。キャンセル不可。

__transaction_atomic
トランザクション内の処理は”安全”な操作に限定される。
__transaction_cancelにより処理途中でキャンセル可能
（途中までの変更をロールバック）。
18

__transaction_atomicとC++例外
トランザクション内からの例外送 int x = 0, y = 0;
int x = 0, y = 0;
出はコミット操作になる。 __transaction_atomic {
x = 42;
x = 42;
throw -1;
throw -1;
キャンセル例外送出の新構文。
y = 100;
y = 100;
ただし例外は整数型に限定。
}}
（std::exception等はNG） // x = 42 && y = 0
// x = 42 && y = 0
x = 42;
x = 42;
__transaction_cancel throw -1;
__transaction_cancel throw -1;
}}
// x = 0
// x = 0
19

ほか

説明していないもの
●
式／関数に対するトランザクション指定
●
outer属性による最外(outermost)トランザクション指定
●
transaction_may_cancel_outer属性, cancel文のレキシカ
ルスコープ制約
●
transaction_unsafe/safe属性の明示と推論
●
トランザクションへのnoexcept指定
●
メモリモデルの拡張（happens-beforeがどーたら）
etc.
概略まとめ→ http://d.hatena.ne.jp/yohhoy/20120414/

20

まとめ

C++ Transactional Memory言語拡張
●
C++11の次のTR／標準規格を目指した提案
●
並行処理の記述を容易にするプログラミング抽象
●
トランザクションを表現する新しい構文を追加
●
トランザクションの動作を定義（実装方法はスコープ外）
●
既存のロックやatomic変数と併用可能

21

で、いつから使えんの？

今日から。

GCC 4.7から実験的サポートが始まっています。
http://gcc.gnu.org/wiki/TransactionalMemory
対応状況調査→ http://d.hatena.ne.jp/yohhoy/20120603/

Try “g++ -std=c++11 -fgnu-tm”, and enjoy it.
→ そして教えて情報共有ください（当初目的）

Photo: gwire/flickr 22

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