¿Hay casos de uso específicos en los que los mutexes sean significativamente más rápidos que los canales?

Diferencias fundamentales que afectan el rendimiento

Los mutexes proporcionan una exclusión mutua al permitir que solo un hilo o goroutina accedan a una sección crítica a la vez. Internamente, una operación mutex generalmente involucra instrucciones atómicas y puede involucrar el bloqueo de nivel de núcleo solo cuando hay contención. Debido a esto, las operaciones de bloqueo/desbloqueo de mutex no contendidos a menudo cuestan solo unos pocos nanosegundos.

Los canales, por el contrario, son abstracciones de nivel superior diseñadas para la comunicación entre goroutinas o hilos. Enviar o recibir en un canal implica administrar una cola, posibles asignaciones de memoria, programar goroutinas y despertarlas si duermen. Esta sobrecarga significa que incluso las mutaciones estatales simples protegidas por un canal incurren en más costos en comparación con un mutex debido a un trabajo de cambio de contexto y coordinación.

Estas diferencias fundamentales ya indican por qué, para protección variable compartida simple o secciones críticas, los mutexes son generalmente más rápidos.

Casos de uso donde los mutexes son más rápidos

Protección de estado compartida simple

Cuando un programa necesita proteger las variables compartidas, como contadores, mapas o banderas simples, los mutexes son mucho más rápidos, ya que la sección crítica implica una sobrecarga de sincronización mínima. Los ejemplos incluyen:

- Solicitudes de conteo en un servidor web: cada operación de incremento de solicitud puede ser protegida por un mutex sin requerir la sobrecarga de enviar mensajes a través de un canal, lo que agrega retrasos en las colas y la programación. Los mutexes permiten acceso directo y directo y se ha demostrado que mejoran el rendimiento por orden de magnitud o más.

- Acceso a los cachés o mapas compartidos: la protección de las estructuras de datos con mutexes ofrece lecturas y escrituras en línea con una sobrecarga mínima. El uso de canales como intermediarios aquí introduce una latencia adicional, ya que cada acceso se convierte en un viaje de ida y vuelta de respuesta a solicitud.

Las pruebas de referencia muestran que los contadores basados ​​en Mutex pueden ser aproximadamente 75 veces más rápidos que los contadores basados ​​en canales debido a la sobrecarga reducida en la sincronización y evitar el costo de la gestión de la cola y el cambio de contexto inherente a los canales.

Escenarios de baja contención o no contenido

En entornos de baja contención, las operaciones de bloqueo y desbloqueo de mutex son casi solo operaciones atómicas sin tiempos de espera. El caso no contendido es donde brillan Mutexes, ya que el bloqueo es liviano y generalmente no desencadena la programación de nivel de núcleo.

Los canales, sin embargo, incurren en costos incluso en baja contención porque cada envío/recepción implica gestión, almacenamiento en búfer y sincronización más compleja. Por lo tanto, para pequeños números de goroutinas o en escenarios con poca contención, los mutexes superan los canales significativamente.

Alta concurrencia con bloqueo simple

En escenarios en los que muchas goroutinas realizan secciones críticas muy cortas que modifican el estado compartido, los mutexes aún tienden a ser más eficientes que los canales. La razón clave es que Mutexes bloquea las goroutinas que contienen en el núcleo, lo que permite una programación eficiente y despertando exactamente una goroutina cuando se desbloquea. Los canales, por otro lado, implican la programación activa de la goroutina y la gestión de la cola que crea sobrecarga bajo carga.

Por ejemplo, los puntos de referencia donde hasta 10 goroutinas están involucradas muestran que los mutexes son varias veces más rápidos, y los mutexes siguen siendo competitivos incluso con cientos de goroutinas.

Distribución del trabajo Cuando las mutaciones estatales son mínimas

Para administrar cortes o listas de tareas, los mutexes pueden ser más rápidos al bloquear brevemente para hacer estallar o impulsar tareas. Aunque los canales son muy naturales para la distribución de tareas, si la sección crítica es corta y el estado compartido requiere un bloqueo y desbloqueo rápido, los mutexes evitan la sobrecarga adicional de la coordinación del canal y aportan un mejor rendimiento.

En muchos sistemas del mundo real, como grupos de trabajadores o colas de trabajo, los mutexes pueden ser más simples y rápidos para administrar listas de tareas en comparación con los canales.

¿Por qué los mutexes son más rápidos en estos casos?

- Sobrecarga inferior: los mutexes usan instrucciones atómicas de la CPU directamente para bloquear y desbloquear, a menudo sin un interruptor de contexto o decisiones de programación costosas.

- Bloqueo del núcleo con colas: el sueño de las goroutinas que se sienten en mutexes de manera eficiente, formando una cola, y el planificador los despierta en serie. Los canales causan patrones de programación y despertar más complejos.

- No hay costo de aprobación de mensajes: los canales deben asignar buffers o entradas de cola y datos de copia/transferencia, lo cual es innecesario cuando la propiedad y la exclusividad simples son suficientes.

- Acceso a la memoria directa: los mutexes permiten el acceso directo a la memoria dentro de una sección crítica, mientras que los canales requieren enviar datos a través de un medio de comunicación, agregando capas de indirección y latencia.

Contextos menos adecuados para canales

Aunque los canales proporcionan una forma elegante y segura de comunicarse entre las goroutinas y son muy valiosos para el procesamiento y el manejo de eventos de la tubería, su sobrecarga los hace menos adecuados para mutaciones estatales compartidas breves y frecuentes.

Los canales son ideales al sincronizar los cálculos complejos que involucran múltiples goroutinas donde la semántica de aprobación de mensajes es natural y beneficiosa. Pero para el bloqueo simple, los mutexes brillan.

Evidencia experimental y de referencia

- Los puntos de referencia con primitivas de sincronización de GO muestran que los contadores Mutex funcionan con latencias en el rango de nanosegundos, mientras que los contadores de canales son órdenes de magnitud más lenta (por ejemplo, 0.8 ns frente a 60 ns por operación).

- El rendimiento se invierte solo a escamas muy altas (por ejemplo, miles de goroutinas) cuando los canales pueden superar a los mutexes en algunos casos, ya que los canales evitan el bloqueo de la cabeza y mejor modelos de tuberías concurrentes.

- Bajo contienda, los mutexes superan los spinlocks debido a las eficiencias de programación a nivel de núcleo.

- Los mutexes evitan las asignaciones de memoria y la conmutación de contexto presente en los canales, lo que conduce a ganancias significativas en el rendimiento y el uso de CPU más bajo para proteger las variables compartidas.

Resumen de recomendaciones de casos de uso

- Use mutexes cuando proteja la memoria compartida o el estado mutable accionado simultáneamente, especialmente si la sección crítica es corta e implica operaciones simples.

- Use canales para orquestar cálculos, tuberías y arquitecturas basadas en eventos donde los mensajes representan el estado o las tareas que se procesarán de manera asincrónica.

- Para el código crítico de rendimiento que involucra mutaciones de estado directo por múltiples hilos o goroutinas, los mutexes generalmente proporcionan un rendimiento superior y un menor latencia.

- Considere los canales cuando su lógica de concurrencia se beneficie de la semántica de aprobación de mensajes, pero evítelos para las necesidades de bloqueo simples de alta frecuencia.

Buceo técnico profundo

Los mutexes generalmente usan operaciones atómicas como comparación y intercambio (CAS) para bloquear y desbloquear en el espacio del usuario y solo ingresan el núcleo cuando se produce la contención para bloquear el hilo. Esto minimiza el cambio de contexto y la sobrecarga en el caso no contenido.

Los canales implementan colas FIFO para mensajes y a menudo están respaldados por buffers que pueden cambiar el tamaño. Enviar en un canal implica verificar si el receptor está listo, copiar datos en el búfer o bloquear, y programar la Goroutine receptora. Estos pasos agregan costos que se multiplican con la frecuencia de operación.

Mutexes duerme hilos contendientes y mantenga una cola para que solo un hilo se despierta a la vez. Los canales pueden despertar múltiples goroutinas a medida que los mensajes están disponibles, lo que lleva a costos de programación y cambio de contexto más complejos.

Conclusión

En resumen, los mutexes son significativamente más rápidos que los canales en escenarios que requieren mutaciones estatales compartidas rápidas, simples y frecuentes con baja contención o secciones críticas cortas. Su implementación de operación atómica liviana, bloqueo y vigilia de núcleo eficiente de hilos, y acceso directo a la memoria proporcionan un rendimiento superior en comparación con la programación, la copia y el paso de mensajes que incurren en los canales de gastos generales. Los canales son más adecuados para comunicar el trabajo complejo y coordinar las goroutinas, pero pagan un costo en la velocidad de sincronización sincronizada.