هل هناك أي حالات استخدام محددة حيث تكون الطفرة أسرع بكثير من القنوات

الاختلافات الأساسية التي تؤثر على الأداء

توفر Mutexes استبعادًا متبادلًا من خلال السماح لخيط واحد فقط أو goroutine بالوصول إلى قسم مهم في وقت واحد. داخليًا ، تتضمن عملية Mutex عادةً تعليمات ذرية وقد تتضمن حجب مستوى النواة فقط عندما يكون هناك خلاف. لهذا السبب ، غالبًا ما تكلف عمليات قفل/فتح Mutex غير المتواضعة عددًا قليلاً من النانو ثانية.

على النقيض من ذلك ، فإن القنوات هي تجريدات عالية المستوى مصممة للتواصل بين goroutines أو المواضيع. يتضمن إرسال أو استلام قناة إدارة قائمة انتظار ، وتخصيصات الذاكرة المحتملة ، وجدولة goroutines ، والاستيقاظ إذا النوم. يعني هذا النفقات العامة حتى طفرات الحالة البسيطة التي تحرسها قناة تكتسب المزيد من التكاليف مقارنةً بالموت بسبب تبديل السياق والتنسيق.

تشير هذه الاختلافات الأساسية بالفعل إلى السبب ، بالنسبة للحماية البسيطة المتغيرة المشتركة أو الأقسام الحرجة ، تكون الطفرة أسرع بشكل عام.

استخدام الحالات التي تكون فيها Mutexes أسرع

حماية الحالة المشتركة البسيطة

عندما يحتاج البرنامج إلى حماية المتغيرات المشتركة - مثل العدادات أو الخرائط أو الأعلام البسيطة - تكون Mutexes أسرع بكثير لأن القسم الحرج يتضمن الحد الأدنى من النفقات العامة للمزامنة. تشمل الأمثلة:

- حساب الطلبات في خادم الويب: يمكن حراسة كل عملية لزيادة الطلب بواسطة Mutex دون الحاجة إلى الحكم العام لإرسال الرسائل عبر قناة ، مما يضيف تأخيرات الطابور والجدولة. تسمح Mutexes مباشرة بالوصول المباشر ، وقد تبين أنها تحسن الإنتاجية بترتيب من حيث الحجم أو أكثر.

- الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت المشتركة أو الخرائط: حماية هياكل البيانات باستخدام Mutexes يوفر قراءات مضمنة وتكتب مع الحد الأدنى من النفقات العامة. إن استخدام القنوات كوسطاء هنا يقدم زمنًا إضافيًا ، حيث يصبح كل وصول رحلة ذهابًا وإيابًا للاستجابة.

تُظهر الاختبارات القياسية أن العدادات المستندة إلى Mutex يمكن أن تكون أسرع بنسبة 75 مرة تقريبًا من العدادات القائمة على القناة بسبب انخفاض النفقات العامة في المزامنة وتجنب تكلفة إدارة قائمة الانتظار وتبديل السياق المتأصل في القنوات.

سيناريوهات منخفضة أو غير ملائمة

في بيئات التنافس المنخفضة ، تكون عمليات قفل Mutex وإلغاء القفل هي عمليات ذرية تقريبًا مع عدم وجود أوقات انتظار. الحالة غير المألوفة هي المكان الذي تتألق فيه Mutexes نظرًا لأن القفل خفيف الوزن وعادة ما لا يؤدي إلى جدولة على مستوى kernel.

ومع ذلك ، فإن القنوات تتكبد حتى في التنافس المنخفض لأن كل إرسال/استلام يتضمن إدارة أكثر تعقيدًا ، والتخزين المؤقت ، والمزامنة. وبالتالي ، بالنسبة للأعداد الصغيرة من goroutines أو في سيناريوهات مع القليل من الخلاف ، تفوق Mutexes القنوات بشكل كبير.

التزامن العالي مع قفل بسيط

في السيناريوهات التي يؤدي فيها العديد من goroutines أقسامًا حرجة قصيرة جدًا تعدل الحالة المشتركة ، لا تزال Mutexes تميل إلى أن تكون أكثر كفاءة من القنوات. السبب الرئيسي هو أن Mutexes كتلة تتنافس على goroutines في النواة ، مما يتيح جدولة فعالة والاستيقاظ بالضبط من goroutine واحد عند فتح. القنوات ، من ناحية أخرى ، تتضمن جدولة Goroutine النشطة وإدارة قائمة الانتظار التي تنشئ النفقات العامة تحت الحمل.

على سبيل المثال ، تظهر المعايير التي تصل إلى 10 goroutines أن تُظهر Mutexes عدة مرات بشكل أسرع ، وتظل Mutexes تنافسية حتى مع مئات goroutines.

توزيع العمل عندما تكون طفرات الدولة ضئيلة

لإدارة الشرائح أو قوائم المهام ، يمكن أن تكون Mutexes أسرع عند القفل لفترة وجيزة للبوب أو دفع المهام. على الرغم من أن القنوات طبيعية للغاية لتوزيع المهام ، إذا كان القسم الحرج قصيرًا وتتطلب الحالة المشتركة قفلًا سريعًا وإلغاء القفل ، فإن Mutexes تجنب النفقات العامة لتنسيق القناة وجلب إنتاجية أفضل.

في العديد من الأنظمة في العالم الحقيقي مثل تجمعات العمال أو قوائم انتظار الوظائف ، يمكن أن تكون Mutexes أبسط وأسرع لإدارة قوائم المهام مقارنة بالقنوات.

لماذا تكون Mutexes أسرع في هذه الحالات

- أقل من النفقات العامة: تستخدم Mutexes إرشادات وحدة المعالجة المركزية الذرية مباشرة من أجل القفل وإلغاء القفل ، غالبًا بدون مفتاح سياق أو قرارات جدولة مكلفة.

- حظر kernel مع قائمة الانتظار: تنام goroutines تنام على Mutexes بكفاءة ، وتشكيل قائمة انتظار ، ويستيقظ الجدولة بشكل متسلسل. تسبب القنوات أنماط الاستيقاظ والجدولة أكثر تعقيدًا.

- لا توجد تكلفة لتمرير الرسائل: يجب على القنوات تخصيص المخازن المؤقتة أو إدخالات قائمة الانتظار وبيانات نسخ/نقل ، وهو أمر غير ضروري عندما تكون الملكية والحصرية البسيطة كافية.

- الوصول المباشر للذاكرة: تتيح Mutexes الوصول المباشر للذاكرة داخل قسم مهم ، بينما تتطلب القنوات إرسال البيانات من خلال وسيط اتصال ، مع إضافة طبقات من عدم الاتجاه والكمون.

سياقات أقل ملاءمة للقنوات

على الرغم من أن القنوات توفر طريقة أنيقة وآمنة للتواصل بين goroutines وقيمة للغاية لمعالجة خطوط الأنابيب ومعالجة الأحداث ، فإن النفقات العامة تجعلها أقل ملاءمة لطفرات الحالة المشتركة القصيرة والمتكررة.

تكون القنوات مثالية عند مزامنة الحسابات المعقدة التي تتضمن العديد من goroutines حيث تكون دلالات تمرير الرسائل طبيعية ومفيدة. ولكن للحصول على قفل بسيط ، تتألق Mutexes.

أدلة تجريبية وقياسية

- تعرض المعايير التي تحتوي على بدائل التزامن في GO أن عدادات Mutex تعمل مع زمنات زمنية في نطاق النانو ثانية بينما تعتبر عدادات القنوات أوامر أبطأ حجمها (على سبيل المثال ، 0.8 NS مقابل 60 NS لكل عملية).

- ينعكس الأداء فقط على نطاقات عالية جدًا (على سبيل المثال ، الآلاف من goroutines) عندما تتفوق القنوات على مواد الطفرات في بعض الحالات ، حيث تتجنب القنوات قفل خطوط الأنابيب المتزامنة بشكل أفضل.

- تحت المنافسة ، يتفوق Mutexes على الأداء الدوران بسبب كفاءة جدولة مستوى النواة.

- يتجنب Mutexes تخصيصات الذاكرة وتبديل السياق الموجود في القنوات ، مما يؤدي إلى مكاسب كبيرة في استخدام الإنتاجية وانخفاض استخدام وحدة المعالجة المركزية لحماية المتغيرات المشتركة.

ملخص استخدام توصيات الحالة

- استخدم Mutexes عند حماية الذاكرة المشتركة أو الحالة القابلة للتغيير في وقت واحد ، خاصة إذا كان القسم الحرج قصيرًا ويتضمن عمليات بسيطة.

- استخدم القنوات لتنظيم الحسابات وخطوط الأنابيب والبنية التي تعتمد على الأحداث حيث تمثل الرسائل الحالة أو المهام التي سيتم معالجتها بشكل غير متزامن.

- بالنسبة للرمز الكبير الأداء الذي يتضمن طفرات الحالة المباشرة بواسطة مؤشرات ترابط متعددة أو goroutines ، عادة ما توفر Mutexes إنتاجية فائقة وقلق أقل.

- ضع في اعتبارك القنوات التي يستفيد منها منطق التزامن من دلالات تمرير الرسائل ، ولكن تجنبها لتلبية احتياجات القفل البسيطة عالية التردد.

الغوص العميق التقني

عادةً ما تستخدم Mutexes العمليات الذرية مثل المقارنة بين و swap (CAS) لقفل وفتح مساحة المستخدم وإدخال kernel فقط عند حدوث خلاف لحظر الخيط. هذا يقلل من تبديل السياق والنفقات العامة في الحالة غير المألوفة.

تقوم القنوات بتطبيق طوابير FIFO للرسائل وغالبًا ما يتم دعمها بواسطة المخازن المؤقتة التي قد تكون تغيير حجمها. يتضمن الإرسال على قناة التحقق مما إذا كان جهاز الاستقبال جاهزًا ، ونسخ البيانات إلى المخزن المؤقت أو الحظر ، وجدولة goroutine المستقبلة. هذه الخطوات تضيف التكاليف التي تتضاعف مع تردد التشغيل.

Mutexes Sleep Contensing Threads والحفاظ على قائمة انتظار بحيث يستيقظ خيط واحد فقط في وقت واحد. قد تستيقظ القنوات متعددة من goroutines مع توفر الرسائل ، مما يؤدي إلى جدولة أكثر تعقيدًا وتكاليف تبديل السياق.

خاتمة

باختصار ، تكون Mutexes أسرع بكثير من القنوات في السيناريوهات التي تتطلب طفرات الحالة السريعة والبسيطة والمتكررة مع المنافسة المنخفضة أو أقسام حرجة قصيرة. يوفر تنفيذ التشغيل الذري الخفيف الوزن ، وحظر النواة الفعال والاستيقاظ من مؤشرات الترابط ، والوصول المباشر من الذاكرة أداءً فائقًا مقارنةً بجدولة القنوات الجدولة والنسخ ومرحلة الرسائل. القنوات أكثر ملاءمة لتوصيل العمل المعقد وتنسيق goroutines ولكن دفع تكلفة في سرعة التزامن الخام.