论文学习：Low-Latency Transaction Scheduling via Userspace Interrupts：Why Wait or Yield When You Can Preempt?

Huang, Kaisong, et al. “Low-Latency Transaction Scheduling via Userspace Interrupts: Why Wait or Yield When You Can Preempt?.” Proceedings of the ACM on Management of Data 3.3 (2025): 1-25.

本文主要解决的问题：

本文主要解决了在混合长短事务和不同优先级的数据库负载下，传统非抢占式调度导致高优先级短事务延迟过高的问题。传统调度方式（如FIFO和协作式yield）无法及时响应高优先级事务请求，导致短事务等待长事务完成，延迟大幅增加。抢占式调度虽然理论上可以缓解，但由于软件中断延迟高和锁冲突导致的工作浪费，在数据库系统中很少被采用。

补充理解：

协作式yield的一个例子是 LevelDB 的 compaction 过程。LevelDB 在后台线程中执行 compaction 操作，这个过程可能会占用较长时间。如果 compaction 线程会在程序写死的固定位置主动检查当前是否存在 flush 操作，如果有，则暂停 compaction，切换到 flush 操作，完成后再继续 compaction。 </small>

本文insight：

• 抢占式调度在现代数据库系统中变得可行 传统观点认为数据库系统不适合抢占式调度，主要因为悲观锁（如两阶段锁）导致抢占时工作浪费和死锁风险。但现代内存优化型数据库普遍采用乐观并发控制和多版本机制，读操作无需持锁，因此抢占不会造成严重的工作浪费。
• 用户态中断（userspace interrupt）为低延迟抢占提供硬件支持 新一代 x86 CPU 支持用户态中断（uintr），可以在用户空间直接触发和处理中断，无需切换到内核态，极大降低了抢占延迟（实测低于1微秒）。

本文具体的解决方案：

• 利用现代 CPU 的用户态中断（uintr）机制，在用户空间实现高效的事务抢占，无需切换到内核态，极大降低了抢占延迟。
• 事务上下文切换机制：每个工作线程维护两个事务上下文（低优先级和高优先级），通过用户态中断触发上下文切换，将正在执行的低优先级事务挂起，立即处理高优先级事务，处理完后再恢复原事务。
• 事务控制块（TXCB）：用于保存和恢复事务的执行状态（寄存器、局部变量等），保证事务可以在任意指令处被抢占和恢复。
• 透明的上下文本地存储（CLS）机制：解决多上下文下线程本地变量冲突问题，使数据库和依赖库无需修改即可安全支持抢占。（同一个工作线程可能因为中断执行多个不同的事务，事务之间如果使用相同的线程局部变量必然导致混乱，因此需要为每个事务维护独立的本地变量。本文用一个不执行的pthread的线程的本地变量存储一个事务的本地变量）
• 非抢占区机制：通过API标记关键代码段（如加锁、内存分配等）为不可抢占，防止死锁和数据一致性问题。
• 调度策略：包括批量抢占（稍微延迟批量化，一次处理一批高优先级事务）和饥饿预防（动态监控高优先级事务消耗的CPU周期，防止低优先级事务被长期饿死）。