Mutex dapat secara signifikan lebih cepat daripada saluran dalam kasus penggunaan spesifik terutama karena sifatnya yang ringan dan cara mereka mengelola pertengkaran dan sinkronisasi. Berikut adalah penjelasan terperinci dengan konteks di mana mutex mengungguli saluran:
Perbedaan mendasar yang mempengaruhi kinerja
Mutex memberikan pengecualian timbal balik dengan hanya mengizinkan satu utas atau goroutine untuk mengakses bagian kritis sekaligus. Secara internal, operasi mutex biasanya melibatkan instruksi atom dan mungkin melibatkan pemblokiran level kernel hanya ketika ada pertengkaran. Karena itu, operasi Mutex Lock/Unlock yang tidak terkendali sering menelan biaya hanya beberapa nanodetik.
Saluran, sebaliknya, adalah abstraksi tingkat lebih tinggi yang dirancang untuk komunikasi antara goroutine atau utas. Mengirim atau menerima di saluran melibatkan mengelola antrian, kemungkinan alokasi memori, menjadwalkan goroutine, dan membangunkannya jika tidur. Overhead ini berarti bahkan mutasi keadaan sederhana yang dijaga oleh saluran mengeluarkan lebih banyak biaya dibandingkan dengan mutex karena pekerjaan pengalihan konteks dan koordinasi.
Perbedaan mendasar ini sudah menunjukkan mengapa, untuk perlindungan variabel bersama sederhana atau bagian kritis, mutex umumnya lebih cepat.
Gunakan kasing di mana mutex lebih cepat
Perlindungan Negara Bersama Sederhana
Ketika suatu program perlu melindungi variabel bersama seperti penghitung, peta, atau bendera sederhana mutex jauh lebih cepat karena bagian kritis melibatkan overhead sinkronisasi minimal. Contohnya termasuk:
- Menghitung permintaan di server web: Setiap operasi kenaikan permintaan dapat dijaga oleh mutex tanpa memerlukan overhead mengirim pesan melalui saluran, yang menambah antrian dan penjadwalan penundaan. Mutex memungkinkan akses langsung, langsung dan telah terbukti meningkatkan throughput dengan urutan besarnya atau lebih.
- Mengakses cache atau peta bersama: Melindungi struktur data dengan mutex menawarkan bacaan inline dan menulis dengan overhead minimal. Menggunakan saluran sebagai perantara di sini memperkenalkan latensi tambahan, karena setiap akses menjadi perjalanan pulang-pergi permintaan.
Tes benchmark menunjukkan bahwa penghitung berbasis mutex dapat sekitar 75 kali lebih cepat daripada penghitung berbasis saluran karena pengurangan overhead dalam sinkronisasi dan menghindari biaya manajemen antrian dan pengalihan konteks yang melekat pada saluran.
Skenario pertengkaran rendah atau tidak terkendali
Di lingkungan pertengkaran yang rendah, operasi mutex lock dan buka kunci hampir hanya operasi atom tanpa waktu tunggu. Kasing yang tidak terkendali adalah di mana mutex bersinar karena pengunciannya ringan dan biasanya tidak memicu penjadwalan tingkat kernel.
Saluran, bagaimanapun, mengeluarkan biaya bahkan dalam pertengkaran rendah karena setiap pengiriman/menerima melibatkan manajemen, buffering, dan sinkronisasi yang lebih kompleks. Dengan demikian, untuk sejumlah kecil goroutine atau dalam skenario dengan sedikit pertengkaran, mutex mengungguli saluran secara signifikan.
konkurensi tinggi dengan penguncian sederhana
Dalam skenario di mana banyak goroutine melakukan bagian kritis yang sangat singkat yang memodifikasi keadaan bersama, mutex masih cenderung lebih efisien daripada saluran. Alasan utama adalah bahwa mutexes memblokir goroutine yang bersaing di kernel, memungkinkan penjadwalan yang efisien dan membangunkan tepat satu goroutine saat membuka kunci. Saluran, di sisi lain, melibatkan penjadwalan goroutine aktif dan manajemen antrian yang menciptakan overhead di bawah beban.
Misalnya, tolok ukur di mana hingga 10 goroutine terlibat menunjukkan mutex beberapa kali lebih cepat, dan mutex tetap kompetitif bahkan dengan ratusan goroutine.
distribusi kerja saat mutasi keadaan minimal
Untuk mengelola irisan atau daftar tugas, mutex bisa lebih cepat saat mengunci secara singkat untuk meletnya atau mendorong tugas. Meskipun saluran sangat alami untuk distribusi tugas, jika bagian kritisnya pendek dan keadaan bersama membutuhkan penguncian dan pembukaan yang cepat, mutex menghindari overhead ekstra dari koordinasi saluran dan membawa throughput yang lebih baik.
Dalam banyak sistem dunia nyata seperti kumpulan pekerja atau antrian pekerjaan, mutex bisa lebih sederhana dan lebih cepat untuk mengelola daftar tugas dibandingkan dengan saluran.
Mengapa mutex lebih cepat dalam kasus ini
- Overhead Bawah: Mutex menggunakan instruksi CPU atom secara langsung untuk mengunci dan membuka kunci, seringkali tanpa saklar konteks atau keputusan penjadwalan yang mahal.
- Pemblokiran kernel dengan antrian: Bertahan goroutine tidur di mutex secara efisien, membentuk antrian, dan penjadwal membangunkannya secara serial. Saluran menyebabkan pola bangun dan penjadwalan yang lebih kompleks.
- Tidak ada biaya yang lewat pesan: Saluran harus mengalokasikan buffer atau entri antrian dan menyalin/mentransfer data, yang tidak perlu ketika kepemilikan sederhana dan eksklusivitas sudah cukup.
- Akses memori langsung: Mutex memungkinkan akses memori langsung dalam bagian kritis, sementara saluran memerlukan pengiriman data melalui media komunikasi, menambahkan lapisan tidak langsung dan latensi.
Konteks yang kurang cocok untuk saluran
Meskipun saluran memberikan cara yang elegan dan aman untuk berkomunikasi antara goroutine dan sangat berharga untuk pemrosesan pipa dan penanganan acara, overhead mereka membuat mereka kurang cocok untuk mutasi keadaan singkat dan sering dibagi.
Saluran sangat ideal ketika menyinkronkan perhitungan kompleks yang melibatkan banyak goroutine di mana semantik yang lewat pesan alami dan bermanfaat. Tapi untuk penguncian sederhana, mutex bersinar.
Bukti Eksperimental dan Benchmark
- Tolok ukur dengan primitif sinkronisasi GO menunjukkan penghitung mutex beroperasi dengan latensi dalam kisaran nanoseconds sementara penghitung saluran adalah pesanan besarnya lebih lambat (mis., 0,8 ns vs 60 ns per operasi).
- Kinerja terbalik hanya pada skala yang sangat tinggi (mis., Ribuan goroutine) ketika saluran dapat mengungguli mutex dalam beberapa kasus, karena saluran menghindari penguncian overhead dan model pipa bersamaan model yang lebih baik.
- Di bawah pertengkaran, mutex mengungguli spinlocks karena efisiensi penjadwalan tingkat kernel.
- Mutex menghindari alokasi memori dan switching konteks yang ada di saluran, yang mengarah pada keuntungan signifikan dalam throughput dan penggunaan CPU yang lebih rendah untuk melindungi variabel bersama.
Ringkasan Rekomendasi Kasus Penggunaan
- Gunakan mutex saat melindungi memori bersama atau keadaan berubah yang diakses secara bersamaan, terutama jika bagian kritisnya pendek dan melibatkan operasi sederhana.
- Gunakan saluran untuk perhitungan yang mengatur, pipa, dan arsitektur yang digerakkan oleh peristiwa di mana pesan mewakili keadaan atau tugas yang akan diproses secara tidak sinkron.
- Untuk kode kinerja-kritis yang melibatkan mutasi keadaan langsung oleh beberapa utas atau goroutine, mutex biasanya memberikan throughput yang unggul dan latensi yang lebih rendah.
- Pertimbangkan saluran ketika logika konkurensi Anda mendapat manfaat dari semantik yang lewat pesan, tetapi hindari untuk kebutuhan penguncian sederhana frekuensi tinggi.
menyelam dalam teknis
Mutex biasanya menggunakan operasi atom seperti perbandingan-dan-swap (CAS) untuk mengunci dan membuka kunci ruang pengguna dan hanya memasukkan kernel ketika pertengkaran terjadi untuk memblokir utas. Ini meminimalkan switching konteks dan overhead dalam kasus yang tidak terkendali.
Saluran menerapkan antrian FIFO untuk pesan dan sering didukung oleh buffer yang dapat mengubah ukuran. Mengirim pada saluran melibatkan memeriksa apakah penerima siap, menyalin data ke buffer atau memblokir, dan menjadwalkan goroutine penerima. Langkah -langkah ini menambah biaya yang berlipat ganda dengan frekuensi operasi.
Mutexes Sleep Contending Threads dan pertahankan antrian sehingga hanya satu utas yang bangun sekaligus. Saluran dapat membangunkan beberapa goroutine saat pesan tersedia, yang mengarah ke penjadwalan yang lebih kompleks dan biaya pengalihan konteks.
Kesimpulan
Singkatnya, mutex secara signifikan lebih cepat daripada saluran dalam skenario yang membutuhkan mutasi keadaan cepat, sederhana, dan sering dibagikan dengan pertengkaran rendah atau bagian kritis pendek. Implementasi operasi atom ringan mereka, pemblokiran kernel yang efisien dan bangun utas, dan akses memori langsung memberikan kinerja yang unggul dibandingkan dengan penjadwalan, penyalinan, dan saluran overhead yang lewat. Saluran lebih cocok untuk mengkomunikasikan pekerjaan kompleks dan mengoordinasikan goroutine tetapi membayar biaya dalam kecepatan sinkronisasi mentah.
Pemahaman ini didukung oleh beberapa tolok ukur dan contoh -contoh praktis dari sistem produksi dan hasil eksperimen. Dengan demikian, keputusan antara mutex dan saluran harus didasarkan pada karakteristik beban kerja dan kebutuhan sinkronisasi, dengan mutex lebih disukai untuk kecepatan mentah dalam menjaga memori bersama dan saluran yang disediakan untuk koordinasi tingkat yang lebih tinggi dan pola komunikasi.