GO에서 Goroutines와 채널이 I/O 성능을 향상시키는 방법

Goroutines 이해

Goroutines는 운영 체제가 아닌 Go 런타임이 관리하는 경량 스레드입니다. 기존 OS 스레드와 달리 Goroutines는 메모리 풋 프린트가 작고 Go 스케줄러에 의해 더 적은 OS 스레드로 다중화되어 컨텍스트 전환의 오버 헤드가 줄어 듭니다. 이 디자인을 통해 GO 프로그램은 중요한 메모리 나 스케줄 페널티없이 수천 또는 수백만 개의 고 루틴을 생성 할 수 있습니다.

네트워크, 디스크 또는 기타 외부 소스에서 읽는 것과 같은 I/O 작업을 수행 할 때 Goroutines를 사용하면 전체 프로그램을 차단하지 않고 이러한 작업이 동시에 실행되도록합니다. 이는 프로그램이 다른 작업을 계속 실행하여 전반적인 처리량 및 응답 성을 향상시킬 수 있음을 의미합니다.

경량 동시성

운영 체제가 관리하는 일반적인 스레드는 리소스 측면에서 무겁고 비용이 많이들 수 있습니다. 스레드를 생성하고 파괴하려면 오버 헤드가 포함되며 너무 많은 스레드를 사용하면 시스템이 비효율적 일 수 있습니다. 반면에, 고 루틴은 훨씬 가볍기 때문에 시스템을 압도하지 않고 더 많은 동시 I/O 바운드 작업이 동시에 존재할 수 있습니다.

이 가벼운 특성은 I/O 작업이 종종 데이터를 읽거나 쓰기를 기다리는 것을 기다리는 경우가 많기 때문에 필수적입니다. 공회전 및 차단 실행 대신 Goroutines는 CPU가 기다리는 동안 다른 작업에서 작동하도록하여 CPU 활용을 극대화하고 I/O 성능을 향상시킬 수 있습니다.

Goroutines가 I/O와 어떻게 작동하는지

Goroutine이 차단 I/O 작동 (예 : 소켓 또는 파일 읽기)에 도달하면 GO 런타임은이를 효율적으로 감지하고 사용 가능한 OS 스레드에서 다른 Goroutine을 자동으로 예약합니다. 이는 프로그램이 I/O 대기 시간에 의해 정체되지 않으며 동시성 수준과 처리량을 크게 향상시킵니다.

Go Scheduler는 G-M-P (Goroutine-OS 스레드 프로세서) 모델이라는 기술을 사용하여 Goroutines를 관리합니다. Goroutines (g)는 가상 프로세서 (P)에 할당 된 다음 OS 스레드 (M)에 매핑됩니다. 이 모델을 사용하면 스케줄러가 I/O 대기 대기 Goroutines를 일시 중지하고 다른 사람을 대신하여 실행할 수 있습니다.

통신 및 동기화를위한 채널

Go의 채널은 안전하고 효율적인 방식으로 고루틴간에 데이터를 보내고 수신하기위한 유형의 도관을 제공합니다. Goroutines는 동시 실행을 처리하는 반면, 채널은 자물쇠가있는 공유 메모리에 의지하지 않고 커뮤니케이션을 용이하게합니다. 이는 번거롭고 오류가 발생할 수 있습니다.

채널은 한 고리 틴이 데이터를 보낼 수있는 대기열처럼 작용하고 다른 고어 라인은 데이터를 수신 할 수 있습니다. 이 동기화 메커니즘을 통해 고어 라틴을 통과 한 데이터가 제어 된 방식으로 수행되어 인종 조건과 불일치를 방지 할 수 있습니다. I/O 운영의 경우 채널은 여러 고어 라틴의 작업을 조정하여 부하의 균형을 유지하고 비동기 처리를 허용합니다.

차단 및 비 블로킹 채널 작업

채널은 부패하지 않거나 버퍼링 될 수 있습니다. 부패하지 않은 채널은 다른 Goroutine이 전송 된 데이터를 수신 할 준비가되어있을 때까지 전송 고리 틴이 차단하여 두 개의 고루틴을 효과적으로 동기화시킵니다. 이를 통해 I/O 작업에서 생산자와 소비자 고어 라인 간의 악수를 보장하므로 인종 조건없이 데이터가 처리되도록합니다.

대조적으로, 버퍼링 된 채널은 용량을 가지며 버퍼가 채워질 때까지 고어 라틴을 계속 실행하도록 보낼 수 있도록하여 비동기 통신의 형태를 제공합니다. I/O의 경우 이는 Goroutines가 즉시 차단하지 않고 여러 데이터 또는 요청을 대기열하여 처리량 및 응답 성을 향상시킬 수 있음을 의미합니다.

Goroutines 및 채널이있는 효율적인 I/O 패턴

GO 프로그래머는 종종 채널에서 작업을 수신하는 고정 된 작업자 고르 라틴 풀과 관련된 패턴을 사용하여 I/O 바운드 시스템을 설계합니다. 예를 들어, 수천 개의 연결을 처리하는 네트워크 서버에서 제한된 수의 Goroutines가 공유 채널에서 들어오는 요청을 읽습니다. 이것은 높은 동시성을 유지하면서 과도한 고 루틴 생성 및 파괴 오버 헤드를 방지합니다.

이 작업자 풀 패턴은 파일 운영 또는 데이터베이스 쿼리에도 적용될 수 있으며, 수신 I/O 요청이 채널에 추가되고 일련의 Goroutines가 동시에 처리됩니다. 채널은 공유 리소스에 동기화 된 액세스를 보장하는 반면 Goroutines는 여러 I/O 작업을 동시에 효율적으로 처리 할 수 ​​있습니다.

I/O 성능의 혜택

1. 처리량 증가 : I/O 차단에 관계없이 많은 동시 작업을 실행할 수있는 Goroutines의 능력은 단위 시간당 처리 된 I/O 요청 수를 크게 증가시킵니다.

2. 낮은 대기 시간 : I/O 대기 시간 동안 전체 프로그램 차단을 피함으로써 Goroutines는 대기 시간을 줄이고 응용 프로그램의 응답 성을 향상시킵니다.

3. 효율적인 리소스 사용 : Goroutines는 기존 스레드보다 스케줄링에 메모리와 CPU를 적게 사용하여 특히 I/O-Heavy Workload에서 확장 성이 높아집니다.

4. 단순화 된 코드 : Goroutines 및 채널을 사용하여 Go 개발자는 무거운 동기화 구조없이 간단하고 유지 관리 가능한 동시 코드를 작성하여 I/O 처리의 버그를 줄일 수 있습니다.

5. 동적로드 밸런싱 : 채널은 고어 라틴 간의 I/O 작업의 동적 분포를 가능하게하여 수동 개입없이 워크로드를 효율적으로 적용합니다.

I/O 개선의 예

여러 네트워크 연결에서 읽거나 많은 파일을 동시에 처리한다고 상상해보십시오. Goroutines가 없으면 이들은 일련의 작업으로, 각 I/O가 완료되기를 기다리는 시간을 낭비합니다. Goroutines를 사용하면 각 I/O 운영이 자체 Goroutine에서 실행되며 채널은 결과 및 작업 배포를 조정하여 CPU를 바쁘게 유지하고 유휴 시간을 최소화합니다.

예를 들어, 웹 서버는 I/O를 비동기 적으로 처리하라는 요청 당 Goroutine을 스폰하여 연결 처리 용량이 높아지고 응답 시간이 줄어 듭니다.

GO 런타임 최적화

GO 런타임 스케줄러는 지속적으로 Goroutines와 해당 주를 모니터링합니다. Goroutine이 I/O에서 차단되는시기를 알고 있으며 즉시 런닝 가능한 고어 라인으로 전환 할 수 있습니다. 이 인텔리전스는 프로그램 실행이 불필요하게 정체되지 않도록하여 활성 계산에 대한 CPU 사용량을 최대화하고 유용한 작업으로 I/O 대기 시간을 중첩시킵니다.

이 런타임 기능은 GO 애플리케이션에서 볼 수있는 개선 된 I/O 성능의 주요 기여자이며, Goroutines 및 채널을 통해보다 자연스러운 동시성을 용이하게합니다.

결론

Goroutines와 채널은 경량 동시 작업과 이러한 작업 간의 안전한 통신을 가능하게하여 GO에서 I/O 성능을 발전시킵니다. Goroutines는 전통적인 스레드의 무거운 오버 헤드없이 수백 또는 수천 개의 동시 I/O 작업을 허용합니다. 채널은 이러한 작업을 동기화하고 데이터를 안전하게 전달하며 워크로드 균형을 맞추는 데 도움이됩니다. GO 런타임 스케줄러는 I/O 대기를 감지하고 작업을 효율적으로 예약하여 실행을 최적화합니다.