哪些应用可以从事务性内存中受益？

### 哪些应用可以从事务性内存中受益？ #### 1. 引言 我们来探讨一下可能从事务性内存（TM）中受益的应用程序的特点。我们的目的不是确定特定的应用程序或领域，而是要阐明事务性内存的本质、它在各种情况下的好处、面临的权衡和挑战，以及事务性内存研究应如何推进，以便在尽可能多的场景中发挥作用。 事务性内存这个术语可以涵盖多种技术，包括提出全新编程范式的技术、旨在增强和改进现有编程范式的技术，以及透明或近乎透明的技术。此外，TM 可以通过硬件、软件或两者的各种组合来实现。 事务性内存的核心是让程序员能够指定一组内存访问操作以原子方式进行，而无需指定具体的实现方式。这一特性简化了并发代码，使其更易于编写、阅读和维护。不过，要有效利用这一特性仍面临挑战，还需要更多的研究。 #### 2. TM 的类型及其用途 ##### 2.1 TM 的优势 - **消除锁的使用难题**：TM 消除了定义和遵循锁保护数据约定的需求。传统的锁机制建立和执行起来具有挑战性，容易导致编程错误。简单的锁约定（如使用单个锁保护所有数据）会限制可扩展性，而复杂的细粒度锁约定则难以遵循和修改。 - **提供抽象层**：TM 建立了一个抽象层，使得相同的应用程序代码可以在不同的运行时平台和系统上运行，并且对 TM 基础设施的改进（无论是硬件还是软件）都可以在不改变应用程序代码的情况下提高性能。 - **便于并行化**：在并发编程中，TM 虽然不能直接将任务拆分为可并行执行的部分，但能使这一过程变得更容易。它可以将问题分解为通常不会冲突的部分，这些部分可以并行运行，在发生冲突时，TM 能检测并确保正确执行。 - **支持复杂机制**：TM 的抽象层允许使用相对复杂的机制，如读共享。基于缓存一致性协议实现的硬件事务性内存（HTM）可以在不获取缓存行独占所有权的情况下访问频繁读取但很少写入的数据，避免了使用锁时的额外开销。 - **简化并发编程**：TM 使程序员更容易正确实现并发算法和数据结构。例如，使用分布式软件事务性内存（DSTM）实现事务性红黑树，与编写顺序红黑树的难度相当，却能得到非阻塞的数据结构。 ##### 2.2 TM 的使用方式 - **STM 库接口**：可以直接使用 STM 库接口进行编程，这种方式适用于小型实验，对测试和评估原型系统很重要。 - **语言支持**：直接使用 STM 库接口编程会变得繁琐且容易出错，因此需要语言支持来让主流程序员能够高效使用。研究人员已经为 C++ 等语言制定了相关规范，多个团队也在开发基于这些规范的实验系统。 - **透明使用**：TM 可以用于改进系统软件，如提高性能、可扩展性和简化代码。例如，使用 HTM 可以实现更简单的工作窃取队列，避免复杂的并发错误。此外，事务性锁省略（TLE）技术可以使用 HTM 尝试并行执行受同一锁保护的关键部分，对应用程序源代码的影响很小。 ##### 2.3 具体的 TM 实现方法及适用应用 |实现方法|优点|缺点|适用应用| | ---- | ---- | ---- | ---- | |软件 TM（STM）|研究人员可以在标准硬件上构建或下载 STM 进行实验|与简单的锁保护代码相比，ST