Goroutines และช่องทางปรับปรุงประสิทธิภาพ I/O ใน GO ได้อย่างไร

ทำความเข้าใจกับ goroutines

Goroutines เป็นเธรดที่มีน้ำหนักเบาจัดการโดย GO Runtime มากกว่าระบบปฏิบัติการ ซึ่งแตกต่างจากเธรดระบบปฏิบัติการแบบดั้งเดิม Goroutines มีรอยเท้าหน่วยความจำที่เล็กกว่าและมีมัลติเพล็กซ์ลงบนเธรดระบบปฏิบัติการที่น้อยลงโดยกำหนดเวลา GO ซึ่งจะช่วยลดค่าใช้จ่ายของการสลับบริบท การออกแบบนี้ช่วยให้โปรแกรม GO วางไข่หลายพันหรือหลายล้าน goroutines โดยไม่มีหน่วยความจำที่สำคัญหรือการลงโทษการกำหนดเวลา

เมื่อทำการดำเนินการ I/O เช่นการอ่านจากเครือข่ายดิสก์หรือแหล่งข้อมูลภายนอกอื่น ๆ Goroutines ให้การดำเนินการเหล่านี้ทำงานพร้อมกันโดยไม่ปิดกั้นโปรแกรมทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าโปรแกรมสามารถดำเนินการต่องานอื่น ๆ ปรับปรุงปริมาณงานและการตอบสนองโดยรวม

พร้อมกันที่มีน้ำหนักเบา

เธรดทั่วไปที่จัดการโดยระบบปฏิบัติการอาจหนักและมีราคาแพงในแง่ของทรัพยากร การสร้างและทำลายเธรดเกี่ยวข้องกับค่าใช้จ่ายและระบบอาจไม่มีประสิทธิภาพหากมีการใช้เธรดมากเกินไป ในทางกลับกัน Goroutines มีน้ำหนักเบากว่ามากทำให้มีงาน I/O-bound ที่เกิดขึ้นพร้อมกันอีกมากมายที่มีอยู่พร้อมกันโดยไม่ต้องครอบงำระบบ

ธรรมชาติที่มีน้ำหนักเบานี้เป็นสิ่งจำเป็นเพราะงาน I/O มักจะเกี่ยวข้องกับการรอการรอข้อมูลที่จะอ่านหรือเขียน แทนที่จะใช้งานไม่ได้ใช้งานและปิดกั้น Goroutines ให้ CPU ทำงานในงานอื่น ๆ ในขณะที่รอการใช้งาน CPU สูงสุดและทำให้มั่นใจได้ว่าประสิทธิภาพ I/O ที่ดีขึ้น

goroutines ทำงานอย่างไรกับ I/O

เมื่อ Goroutine มาถึงการปิดการทำงานของ I/O (เช่นการอ่านจากซ็อกเก็ตหรือไฟล์) การตรวจจับ GO Runtime จะตรวจจับสิ่งนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพและกำหนดเวลา goroutine อื่นโดยอัตโนมัติเพื่อทำงานบนเธรดระบบปฏิบัติการที่มีอยู่ ซึ่งหมายความว่าโปรแกรมจะไม่หยุดชะงักโดยเวลารอ I/O ปรับปรุงระดับและปริมาณงานพร้อมกันอย่างมาก

GO Scheduler ใช้เทคนิคที่เรียกว่ารุ่น GOM-P (Goroutine-OS Thread-Processor) เพื่อจัดการ goroutines Goroutines (G) ถูกกำหนดให้กับโปรเซสเซอร์เสมือน (P) ซึ่งจะถูกแมปเข้ากับเธรด OS (M) โมเดลนี้ช่วยให้ตัวกำหนดตารางเวลาหยุดชั่วคราว goroutines รอ I/O และเรียกใช้คนอื่น ๆ ในสถานที่ของพวกเขา

ช่องสำหรับการสื่อสารและการซิงโครไนซ์

ช่องทางใน GO ให้ท่อร้อยสายที่พิมพ์สำหรับการส่งและรับข้อมูลระหว่าง goroutines ในลักษณะที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ Goroutines จัดการกับการดำเนินการที่เกิดขึ้นพร้อมกัน แต่ช่องทางอำนวยความสะดวกในการสื่อสารโดยไม่ต้องหันไปใช้หน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันกับล็อคซึ่งอาจยุ่งยากและผิดพลาดได้ง่าย

ช่องทำหน้าที่เหมือนคิวที่หนึ่ง goroutine สามารถส่งข้อมูลและอีกทางหนึ่งสามารถรับได้ กลไกการซิงโครไนซ์นี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าข้อมูลที่ส่งผ่าน goroutines นั้นทำในวิธีที่ควบคุมป้องกันสภาพการแข่งขันและความไม่สอดคล้องกัน สำหรับการดำเนินการ I/O ช่องทางประสานงานของ goroutines หลาย ๆ อย่างสมดุลโหลดและช่วยให้การประมวลผลแบบอะซิงโครนัส

การปิดกั้นและไม่ปิดกั้นช่องทาง

ช่องสามารถไม่ได้หรือบัฟเฟอร์ ช่องทางที่ไม่ได้บัฟเฟอร์ทำให้การส่ง goroutine บล็อกจนกว่า goroutine อื่นจะพร้อมที่จะรับข้อมูลที่ส่งอย่างมีประสิทธิภาพซิงโครไนซ์สอง goroutines สิ่งนี้รับประกันการจับมือกันระหว่างผู้ผลิตและผู้บริโภค goroutines ในงาน I/O เพื่อให้มั่นใจว่าข้อมูลจะถูกประมวลผลโดยไม่มีเงื่อนไขการแข่งขัน

ในทางตรงกันข้ามช่องทางบัฟเฟอร์มีความจุและอนุญาตให้ส่ง goroutines เพื่อดำเนินการต่อไปจนกว่าบัฟเฟอร์จะเติมเต็มรูปแบบของการสื่อสารแบบอะซิงโครนัส สำหรับ I/O นี่หมายความว่า goroutines สามารถคิวข้อมูลหรือคำขอหลายชิ้นโดยไม่ต้องปิดกั้นทันทีนำไปสู่การปรับปรุงปริมาณงานและการตอบสนอง

รูปแบบ I/O ที่มีประสิทธิภาพด้วย goroutines และช่อง

GO โปรแกรมเมอร์มักจะออกแบบระบบ I/O-bound โดยใช้รูปแบบที่เกี่ยวข้องกับกลุ่มคนงานที่ได้รับการรับจากช่องทาง ตัวอย่างเช่นในเซิร์ฟเวอร์เครือข่ายที่จัดการการเชื่อมต่อหลายพันครั้ง Goroutines จำนวน จำกัด อ่านคำขอขาเข้าจากช่องที่ใช้ร่วมกัน สิ่งนี้จะช่วยป้องกันการสร้าง goroutine ที่มากเกินไปและการทำลายล้างค่าใช้จ่ายในขณะที่ยังคงรักษาพร้อมกันสูง

รูปแบบพูลคนงานนี้ยังสามารถนำไปใช้กับการดำเนินการไฟล์หรือแบบสอบถามฐานข้อมูลที่มีการเพิ่มคำขอ I/O ที่เข้ามาในช่องและชุดของ goroutines ประมวลผลพร้อมกัน ช่องทางช่วยให้มั่นใจได้ว่าการเข้าถึงทรัพยากรที่ใช้ร่วมกันในขณะที่ goroutines เปิดใช้งานการจัดการที่มีประสิทธิภาพของการดำเนินการ I/O หลายครั้งพร้อมกัน

ผลประโยชน์ในประสิทธิภาพ I/O

1. ปริมาณงานที่เพิ่มขึ้น: ความสามารถของ Goroutines ในการดำเนินการพร้อมกันจำนวนมากโดยไม่คำนึงถึงการปิดกั้น I/O อย่างมีนัยสำคัญเพิ่มจำนวนคำขอ I/O อย่างมีนัยสำคัญที่จัดการต่อหน่วยเวลา

2. เวลาแฝงต่ำ: โดยการหลีกเลี่ยงการปิดกั้นโปรแกรมทั้งหมดในช่วงเวลารอ I/O Goroutines ลดเวลาแฝงและปรับปรุงการตอบสนองของแอปพลิเคชัน

3. การใช้ทรัพยากรที่มีประสิทธิภาพ: goroutines ใช้หน่วยความจำน้อยลงและ CPU สำหรับการจัดตารางเวลามากกว่าเธรดดั้งเดิมทำให้สามารถปรับขนาดได้สูงขึ้นโดยเฉพาะในปริมาณงาน I/O-Heavy

4. รหัสง่าย: การใช้ goroutines และช่องทางนักพัฒนา GO สามารถเขียนรหัสที่ตรงไปตรงมาสามารถบำรุงรักษาได้โดยไม่ต้องสร้างการซิงโครไนซ์หนักลดข้อบกพร่องในการจัดการ I/O

5. การปรับสมดุลโหลดแบบไดนามิก: ช่องเปิดใช้งานการกระจายแบบไดนามิกของงาน I/O ในหมู่ goroutines ปรับภาระงานได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องแทรกแซงด้วยตนเอง

ตัวอย่างการปรับปรุง I/O

ลองนึกภาพการอ่านจากการเชื่อมต่อเครือข่ายหลายรายการหรือประมวลผลไฟล์จำนวนมากพร้อมกัน หากไม่มี goroutines สิ่งเหล่านี้จะเป็นการดำเนินการต่อเนื่องเสียเวลารอให้แต่ละ I/O เสร็จสมบูรณ์ ด้วย Goroutines การดำเนินการ I/O แต่ละครั้งจะทำงานใน goroutine ของตัวเองในขณะที่ช่องทางการประสานงานผลลัพธ์และการกระจายงานทำให้ CPU ไม่ว่างและลดเวลาว่างให้น้อยที่สุด

ตัวอย่างเช่นเว็บเซิร์ฟเวอร์สามารถวางไข่ goroutine ต่อคำขอขาเข้าเพื่อจัดการ I/O แบบอะซิงโครนัสทำให้เกิดความสามารถในการจัดการการเชื่อมต่อที่สูงขึ้นและลดเวลาตอบสนอง

ไปเพิ่มประสิทธิภาพรันไทม์

ตัวกำหนดตารางเวลา GO Runtime จะตรวจสอบ Goroutines และรัฐของพวกเขาอย่างต่อเนื่อง มันรู้ว่าเมื่อใดที่ goroutine ถูกบล็อกบน I/O และสามารถสลับไปที่ goroutines ที่รันได้ทันที สติปัญญานี้ทำให้มั่นใจได้ว่าการดำเนินการโปรแกรมจะไม่หยุดยั้งโดยไม่จำเป็นโดยไม่จำเป็นเพิ่มการใช้งาน CPU ให้มากที่สุดสำหรับการคำนวณที่ใช้งานอยู่

ฟีเจอร์รันไทม์นี้เป็นตัวช่วยสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพ I/O ที่เห็นได้จากแอปพลิเคชัน GO ซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกในการพร้อมกันตามธรรมชาติมากขึ้นผ่าน Goroutines และช่องทาง

บทสรุป

Goroutines และช่องทางปรับปรุงประสิทธิภาพ I/O รวมกันโดยการเปิดใช้งานการดำเนินงานที่มีน้ำหนักเบาพร้อมกันและการสื่อสารที่ปลอดภัยระหว่างการดำเนินการเหล่านี้ Goroutines อนุญาตงาน I/O ที่เกิดขึ้นพร้อมกันหลายร้อยหรือหลายพันรายการโดยไม่ต้องมีค่าใช้จ่ายหนักของเธรดดั้งเดิม แชนเนลซิงโครไนซ์งานเหล่านี้ส่งข้อมูลอย่างปลอดภัยและช่วยสมดุลเวิร์กโหลด ตัวกำหนดตารางเวลา GO Runtime เพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินการโดยการตรวจจับ I/O รอและกำหนดเวลาการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ