Mutexes können in bestimmten Anwendungsfällen erheblich schneller sein als Kanäle, hauptsächlich aufgrund ihrer leichten Art und der Art und Weise, wie sie Streit und Synchronisation verwalten. Hier finden Sie detaillierte Erklärungen mit Kontexten, in denen Mutexes Kanäle übertreffen:
grundlegende Unterschiede, die die Leistung beeinflussen
Mutexes liefern einen gegenseitigen Ausschluss, indem nur ein Thread oder eine Goroutine gleichzeitig auf einen kritischen Abschnitt zugreifen kann. Innen beinhaltet eine Mutex-Operation typischerweise Atomanweisungen und kann nur dann die Blockierung von Kernelebene beinhalten, wenn es um Streitigkeiten geht. Aus diesem Grund kosten die nicht in der Lage versetzten Operationen, die nicht wenige Nanosekunden sind, aus diesem Grund.
Kanäle dagegen sind Abstraktionen auf höherer Ebene für die Kommunikation zwischen Goroutinen oder Fäden. Das Senden oder Empfangen auf einem Kanal beinhaltet das Verwalten einer Warteschlange, mögliche Speicherzuweisungen, die Planung von Goroutinen und das Aufwachen beim Schlafen. Dieser Overhead bedeutet, dass selbst einfache Zustandsmutationen, die von einem Kanal bewacht werden, aufgrund der Kontextschalt- und Koordinationsarbeit mehr Kosten im Vergleich zu einem Mutex entstehen.
Diese grundlegenden Unterschiede zeigen bereits an, warum für einfachen gemeinsamen variablen Schutz oder kritische Abschnitte Mutexes im Allgemeinen schneller sind.
Anwendungsfälle, in denen Mutexes schneller sind
Einfacher gemeinsamer Zustandsschutz
Wenn ein Programm gemeinsame Variablen wie Zähler, Karten oder einfache Flags schützen muss, sind Mutexes viel schneller, da der kritische Abschnitt einen minimalen Synchronisationsaufwand beinhaltet. Beispiele sind:
- Zählen Sie Anfragen in einem Webserver: Jede Anforderungsinkrementoperation kann von einem Mutex bewacht werden, ohne dass das Überziehen des Sendens von Nachrichten über einen Kanal erforderlich ist, der Verzögerungen der Warteschlange und Planung hinzufügt. Mutexes ermöglichen einen einfachen, direkten Zugriff und es wurde gezeigt, dass sie den Durchsatz um eine Größenordnung oder mehr verbessert.
- Zugriff auf gemeinsame Caches oder Karten: Der Schutz von Datenstrukturen mit Mutexes bietet Inline -Lese- und Schreibvorgänge mit minimalem Overhead. Durch die Verwendung von Kanälen als Vermittler wird hier zusätzliche Latenz eingeführt, da jeder Zugriff zu einer Rundreise für Anforderungsreaktion wird.
Benchmark-Tests zeigen, dass mutex-basierte Zähler aufgrund des reduzierten Overheads bei der Synchronisation ungefähr 75-mal schneller sein können
Niedrige Streitigkeiten oder unangenehm
In Umgebungen mit niedriger Streitigkeiten sind die Operationen von Mutex Lock und Freischaltvorgängen fast nur atomare Operationen ohne Wartezeiten. In dem unangenehmen Fall leuchten Mutexes, da die Verriegelung leicht ist und normalerweise keine Planung auf Kernelebene auslöst.
Kanäle entstehen jedoch selbst bei geringen Streitigkeiten, da jedes SEND/Empfang komplexere Verwaltung, Pufferung und Synchronisation beinhaltet. Somit übertreffen die Mutexes für kleine Anzahl von Goroutinen oder in Szenarien mit wenig Streit deutlich.
hohe Parallelität mit einfacher Sperrung
In Szenarien, in denen viele Goroutinen sehr kurze kritische Abschnitte ausführen, die den gemeinsamen Zustand ändern, sind Mutexes immer noch effizienter als Kanäle. Der Hauptgrund ist, dass Mutexes Blockblock in Goroutinen im Kernel blockieren, die beim Entsperrung eine effiziente Planung und das Aufwachen genau eine Goroutine ermöglichen. Kanäle hingegen beinhalten eine aktive Goroutine -Planung und Warteschlangenverwaltung, die unter Last einen Overhead erzeugt.
Zum Beispiel zeigen Benchmarks, bei denen bis zu 10 Goroutinen involviert sind, Mutexes, die mehrmals schneller sind, und Mutexes bleiben auch bei Hunderten von Goroutinen wettbewerbsfähig.
Arbeitsverteilung Wenn Zustandsmutationen minimal sind
Für die Verwaltung von Scheiben oder Aufgabenlisten können Mutexes schneller sein, wenn Sie kurz einsperren, um Aufgaben zu knallen oder zu pushen. Although channels are very natural for task distribution, if the critical section is short and the shared state requires quick locking and unlocking, mutexes avoid the extra overhead of channel coordination and bring better throughput.
In vielen realen Systemen wie Workerpools oder Jobwarteschlangen können Mutexes für die Verwaltung von Aufgabenlisten im Vergleich zu Kanälen einfacher und schneller sein.
Warum in diesen Fällen Mutexes schneller sind
- Niedrigere Overhead: Mutexes verwenden Atom -CPU -Anweisungen direkt zum Sperren und Entsperren, häufig ohne Kontextschalter oder kostspielige Planungsentscheidungen.
- Kernel Blockierung mit Warteschlangen: Goroutinen, die auf Mutexes effizient schlafen, eine Warteschlange bilden, und der Scheduler weckt sie seriell. Kanäle verursachen komplexere Aufweck- und Planungsmuster.
- Keine Nachrichtenübergabekosten: Kanäle dürfen Puffer oder Warteschlangeneinträge zuweisen und Daten kopieren/übertragen, was unnötig ist, wenn einfaches Eigentum und Exklusivität ausreichen.
- Direkter Speicherzugriff: Mutexes ermöglichen den direkten Speicherzugriff innerhalb eines kritischen Abschnitts, während Kanäle Daten über ein Kommunikationsmedium senden müssen, wodurch Indirektions- und Latenzschichten hinzugefügt werden.
Kontexte, die weniger für Kanäle geeignet sind
Obwohl Kanäle eine elegante und sichere Möglichkeit bieten, zwischen Goroutinen zu kommunizieren und für die Verarbeitung von Pipeline und die Ereignishandhabung von großer Bedeutung sind, ist ihr Overhead sie weniger für kurze, häufige gemeinsame Zustandsmutationen geeignet.
Kanäle sind ideal, wenn komplexe Berechnungen mit mehreren Goroutinen synchronisiert werden, bei denen die Semantik der Nachrichtenüberwachung natürlich und vorteilhaft ist. Aber für einfache Verriegelung glänzen Mutexes.
Experimentelle und Benchmark -Beweise
- Benchmarks mit GO -Synchronisationsprimitiven zeigen, dass mustex -Zähler mit Latenzen im Nanosekundenbereich arbeiten, während Kanalzähler Ordnungen mit langsamer sind (z. B. 0,8 ns gegenüber 60 ns pro Operation).
- Die Leistung kehrt sich nur in sehr hohen Skalen (z. B. Tausende von Goroutinen) um, wenn Kanäle in einigen Fällen Mutexes übertreffen können, da Kanäle ein Verriegelungsaufwand und bessere Modell -gleichzeitige Pipelines vermeiden.
- In Streitigkeiten übertreffen Mutexes Spinlocks aufgrund der Planung von Kernelebene.
- Mutexes vermeiden Speicherzuweisungen und Kontextschaltungen, die in Kanälen vorhanden sind, was zu erheblichen Gewinnen des Durchsatzes und einer geringeren CPU -Verwendung zum Schutz der gemeinsamen Variablen führt.
Zusammenfassung der Anwendungsfallempfehlungen
- Verwenden Sie Mutexes beim Schutz des gemeinsamen Speichers oder des veränderlichen Zustands, der gleichzeitig zugegriffen wird, insbesondere wenn der kritische Abschnitt kurz ist und einfache Operationen beinhaltet.
- Verwenden Sie Kanäle zum orchestrierten Berechnungen, Pipelines und ereignisgesteuerten Architekturen, bei denen Nachrichten staatliche oder asynchrone Aufgaben darstellen.
- Für leistungskritische Code, die direkte Zustandsmutationen durch mehrere Threads oder Goroutinen beinhalten, bieten Mutexes normalerweise einen überlegenen Durchsatz und eine geringere Latenz.
- Berücksichtigen Sie Kanäle, wenn Ihre Parallelitätslogik von der Semantik der Nachrichtenübergabe profitiert. Vermeiden Sie sie jedoch für hochfrequente einfache Verriegelungsanforderungen.
Technischer Deep Dive
Mutexes verwenden typischerweise Atomoperationen wie Compare-and-Swap (CAS) zum Sperren und Entsperren im Benutzerbereich und geben Sie den Kernel nur ein, wenn die Behauptung auftritt, um den Thread zu blockieren. Dies minimiert den Kontextumschalten und den Overhead im unangenehmen Fall.
Kanäle implementieren FIFO -Warteschlangen für Nachrichten und werden häufig von Puffern gesichert, die die Größe ändern können. Durch das Senden eines Kanals werden geprüft, ob der Empfänger fertig ist, Daten in den Puffer oder die Blockierung kopiert und die empfangende Goroutine plant. Diese Schritte fügen Kosten hinzu, die sich mit der Betriebsfrequenz vermehren.
Mutexes schläft, die Fäden konkurrieren und eine Warteschlange beibehalten, sodass nur ein Faden gleichzeitig wacht. Kanäle können mehrere Goroutinen wecken, wenn Nachrichten verfügbar sind, was zu komplexeren Planungs- und Kontextschaltkosten führt.
Abschluss
Zusammenfassend sind Mutexes in Szenarien signifikant schneller als Kanäle, die schnelle, einfache und häufige gemeinsame State -Mutationen mit geringen Streit oder kurzen kritischen Abschnitten erfordern. Die Implementierung des leichten Atombetriebs, ihre effiziente Kernelblockierung und das Wachstum von Threads und den direkten Speicherzugriff bieten eine überlegene Leistung im Vergleich zu den Overhead -Kanälen der Planung, Kopieren und Meldung. Kanäle eignen sich besser für die Kommunikation komplexer Arbeiten und die Koordinierung von Goroutinen, zahlen jedoch die Kosten für die RAW -Synchronisationsgeschwindigkeit.
Dieses Verständnis wird durch mehrere Benchmarks und praktische Beispiele aus Produktionssystemen und experimentellen Ergebnissen unterstützt. Daher sollte die Entscheidung zwischen Mutexen und Kanälen auf Workload-Eigenschaften und -Synchronisationsanforderungen basieren, wobei Mutexes für die Rohgeschwindigkeit vorgezogen werden, um gemeinsam genutzten Speicher und Kanäle zu bewachen, die für die Koordinations- und Kommunikationsmuster auf höherer Ebene reserviert sind.