Существуют ли конкретные варианты использования, когда мутексы значительно быстрее, чем каналы

Основные различия, влияющие на производительность

Мутексы обеспечивают взаимное исключение, позволяя только одной потоке или goroutine получить доступ к критическому разделу за раз. Внутренне операция Mutex обычно включает в себя атомные инструкции и может включать блокировку уровня ядра только при споре. Из -за этого неконтролируемые операции Mutex Lock/Oplock часто стоят всего несколько наносекунд.

Каналы, напротив, представляют собой абстракции более высокого уровня, предназначенные для связи между goroutines или потоками. Отправка или получение на канале включает в себя управление очередью, возможное распределение памяти, планирование goroutines и разбуждение их, если сон. Эта накладная расходы означает, что даже простые государственные мутации, охраняемые каналом, несут больше затрат по сравнению с мутекской из -за переключения контекста и координационной работы.

Эти фундаментальные различия уже указывают на то, почему для простой защиты общей переменной или критических разделов мутекс, как правило, быстрее.

варианты использования, где мутекс быстрее

Простая общая защита состояний

Когда программа должна защищать общие переменные, такие как счетчики, карты или простые флаги, мутекс намного быстрее, поскольку критический раздел включает в себя минимальную синхронизацию накладных расходов. Примеры включают:

- Подсчет запросов на веб -сервере: каждая операция приращения запроса может быть охраняется MUTEX, не требуя накладных расходов отправки сообщений через канал, который добавляет задержки в очереди и планирование. Мутекс допускает прямой, прямой доступ и было показано, чтобы улучшить пропускную способность на порядок или более.

- Доступ к общим кешам или картам: защита структур данных с помощью Mutexes предлагает встроенные чтения и записи с минимальными накладными расходами. Использование каналов в качестве посредников здесь представляет дополнительную задержку, так как каждый доступ становится обратной поездкой в ​​обратном порядке.

Контрольные тесты показывают, что счетчики на основе Mutex могут быть примерно в 75 раз быстрее, чем каналы, из-за снижения накладных расходов в синхронизации и избегания стоимости управления очередей и переключения контекста, присущих каналам.

Низкое содействие или неконтролируемые сценарии

В средах с низким содержанием соревнования операции Mutex Lock и разблокировки являются почти только атомными операциями без времени ожидания. Неодержанный случай-это то, где мутекс сияет, так как блокировка легкая и обычно не запускает планирование уровня ядра.

Каналы, однако, несут затраты даже при низком споре, потому что каждая отправка/получение включает в себя более сложное управление, буферизацию и синхронизацию. Таким образом, для небольшого количества goroutines или в сценариях с небольшим спором, Mutexes значительно превосходит каналы.

Высокая параллелизм с простой блокировкой

В сценариях, где многие горутины выполняют очень короткие критические разделы, которые изменяют общее состояние, мутекс по -прежнему, как правило, более эффективно, чем каналы. Ключевая причина заключается в том, что Mutexes Block, претендующий на Goroutines в ядре, позволяя эффективно планировать и пробудить ровно одну Goroutine при разблокировке. Каналы, с другой стороны, включают в себя активное планирование и управление очередей, которое создает нагрузку на нагрузку.

Например, тесты, в которых участвуют до 10 goroutines, показывают, что мутекс в несколько раз быстрее, а мутекс остаются конкурентоспособными даже с сотнями goroutines.

Рабочая распределение, когда мутации состояния минимальны

Для управления ломтиками или списками задач мутекс может быть быстрее при кратком блокировке для запуска или толчков. Хотя каналы очень естественны для распределения задач, если критический раздел является коротким, а общее состояние требует быстрой блокировки и разблокировки, мутексы избегают дополнительных накладных расходов координации канала и обеспечивают лучшую пропускную способность.

Во многих реальных системах, таких как рабочие пулы или очереди работы, мутекс может быть проще и быстрее для управления списками задач по сравнению с каналами.

Почему мутекс быстрее в этих случаях

- Нижние накладные расходы: мутекс используют инструкции по атомному процессору непосредственно для блокировки и разблокировки, часто без переключения контекста или дорогостоящих решений о планировании.

- Блокировка ядра с помощью очередей: борьба с горуутинами эффективно спят на мутекс, образуя очередь, а планировщик разбудит их последовательно. Каналы вызывают более сложные схемы пробуждения и планирования.

- Нет затрат на передачу сообщения: каналы должны выделять буферные заведения или записи в очередь и копировать/передавать данные, что ненужно, когда достаточно простого владения и эксклюзивности.

- Прямой доступ к памяти: мутекс разрешает прямой доступ к памяти в критическом разделе, в то время как каналы требуют отправки данных через среду связи, добавляя слои косвенности и задержки.

Контексты, менее подходящие для каналов

Хотя каналы обеспечивают элегантный и безопасный способ общения между goroutines и очень ценны для обработки трубопроводов и обработки событий, их накладные расходы делают их менее подходящими для коротких, частых общих государственных мутаций.

Каналы идеально подходят при синхронизации сложных вычислений с участием множества ружений, где семантика передачи сообщений является естественной и полезной. Но для простой блокировки мутекс сияет.

Экспериментальные и контрольные доказательства

- тесты с примитивами синхронизации GO показывают, что счетчики Mutex работают с задержками в диапазоне наносекунд, в то время как счетчики каналов на величине меньше (например, 0,8 нс против 60 нс на операцию).

- Производительность переворачивается только в очень высоких масштабах (например, тысячи goroutines), когда каналы могут в некоторых случаях превосходить мутекс, поскольку каналы избегают блокировки накладных расходов и лучших одновременных трубопроводов.

- В рамках спора Mutexes превосходит спинлоки из-за эффективности планирования уровня ядра.

- Мутекс избегает распределения памяти и переключения контекста, присутствующего в каналах, что приводит к значительному росту пропускной способности и снижению использования ЦП для защиты общих переменных.

Сводка рекомендаций вариантов использования

- Используйте мутекс при защите общей памяти или изменяемого состояния одновременно, особенно если критический раздел является коротким и включает в себя простые операции.

- Используйте каналы для организации вычислений, трубопроводов и архитектур, управляемых событиями, где сообщения представляют собой состояние или задачи, которые будут обработаны асинхронно.

- Для критически важного кода, включающего мутации прямого состояния с помощью нескольких потоков или goroutines, мутекс обычно обеспечивают превосходную пропускную способность и более низкую задержку.

- Рассмотрим каналы, когда ваша логика параллелистики получает выгоду от семантики передачи сообщений, но избегайте их для высокочастотных простых потребностей блокировки.

Техническое глубокое погружение

Mutexes обычно используют атомные операции, такие как Compare-and Swap (CAS) для блокировки и разблокировки в пространстве пользователя, и вводятся ядро, только когда возникает конфликт, чтобы заблокировать поток. Это сводит к минимуму переключение контекста и накладные расходы в непрерывном случае.

Каналы реализуют очереди FIFO для сообщений и часто поддерживаются буферами, которые могут изменить размер. Отправка на канале включает в себя проверку, готов ли приемник, копирование данных в буфер или блокировку и планирование приемной goroutine. Эти шаги добавляют затраты, которые размножаются с частотой работы.

Mutexes Sleep Shought Threads и поддерживает очередь, поэтому только одна нить просыпается за раз. Каналы могут разбудить несколько goroutines по мере того, как сообщества становятся доступными, что приводит к более сложным расписанию и затратам на переключение контекста.

Заключение

Таким образом, мутекс значительно быстрее, чем каналы, в сценариях, требующих быстрых, простых и частых мутаций общего состояния с низким сохранением или короткими критическими секциями. Их легкая реализация атомной работы, эффективное блокирование ядра и пробуждение потоков, а также прямой доступ к памяти обеспечивают превосходную производительность по сравнению с планированием, копированием и передачей сообщений. Каналы лучше подходят для передачи сложной работы и координации goroutines, но заплатят стоимость необработанной скорости синхронизации.