Existujú nejaké konkrétne prípady použitia, keď sú mutexy výrazne rýchlejšie ako kanály

Základné rozdiely ovplyvňujúce výkonnosť

Mutexes poskytujú vzájomné vylúčenie tým, že umožňujú iba jednému vláknu alebo goroutínu prístup k kritickej časti súčasne. Interne operácia MUTEX zvyčajne zahŕňa atómové pokyny a môže zahŕňať blokovanie na úrovni jadra iba vtedy, keď dôjde k sporu. Z tohto dôvodu nekontrolované operácie Mutex Lock/Unlock často stoja len niekoľko nanosekúnd.

Naproti tomu kanály sú abstrakcie na vyššej úrovni určené na komunikáciu medzi goroutínmi alebo vláknami. Posielanie alebo prijímanie na kanáli zahŕňa riadenie frontu, možné pridelenie pamäte, plánovanie goroutín a ich prebudenie, ak sa spí. Táto réžia znamená, že dokonca aj jednoduché štátne mutácie strážené kanálom vznikajú viac nákladov v porovnaní s mutexom v dôsledku prepínania kontextu a koordinačnej práce.

Tieto základné rozdiely už naznačujú, prečo sú mutexy vo všeobecnosti rýchlejšie.

Použite prípady, keď sú mutexes rýchlejšie

###- jednoduché zdieľané štátne ochrana štátu

Ak program potrebuje chrániť zdieľané premenné, ako sú počítadlá, mapy alebo jednoduché vlajky, sú mutexy oveľa rýchlejšie, pretože kritická časť zahŕňa minimálnu synchronizáciu režijných nákladov. Príklady zahŕňajú:

- Počítanie požiadaviek na webovom serveri: Každá operácia prírastku požiadavky môže byť chránená mutex bez toho, aby vyžadovala režijné náklady na odosielanie správ prostredníctvom kanála, ktorý dodáva oneskorenia frontu a plánovanie. Mutexes umožňujú priamy prístup, priamy prístup a ukázalo sa, že zlepšujú priepustnosť v poradí veľkosti alebo viac.

- Prístup k zdieľaným vyrovnávacom alebo mapám: Ochrana dátových štruktúr pomocou mutexes ponúka inline čítanie a zápisy s minimálnymi režijnými nákladmi. Používanie kanálov ako sprostredkovateľov tu predstavuje ďalšiu latenciu, pretože každý prístup sa stáva spiatočnou cestou na reakciu na požiadavku.

Benchmarkové testy ukazujú, že počítadlá založené na MUTEX môžu byť zhruba 75-krát rýchlejšie ako počítadlá založené na kanáloch v dôsledku zníženej režijnej režijnej synchronizácie a vyhýbania sa nákladom na správu frontov a prepínanie kontextu, ktoré sú spojené v kanáloch.

nízky nákup alebo nezatrbaté scenáre

V prostrediach s nízkym nárokom sú operácie MUTEX Lock and Unlock takmer iba atómové operácie bez čakacie doby. Nesplnené puzdro je miesto, kde ležia mutexes, pretože blokovanie je ľahké a zvyčajne nespúšťa plánovanie na úrovni jadra.

Kanály však vznikajú aj pri nízkom sporu, pretože každé odosielanie/prijímanie zahŕňa zložitejšie riadenie, vyrovnávanie a synchronizácia. Preto pre malé množstvo goroutínov alebo v scenároch s malým sporom výrazne prekonávajú mutexes kanály.

Vysoký súbežnosť s jednoduchým uzamknutím

V scenároch, v ktorých mnoho goroutínov vykonáva veľmi krátke kritické časti, ktoré modifikujú zdieľaný stav, sú mutexes stále efektívnejšie ako kanály. Kľúčovým dôvodom je to, že blok mutexes, ktoré súťažia s goroutínmi v jadre, čo umožňuje efektívne plánovanie a prebudenie presne jedného goroutínu pri odblokovaní. Na druhej strane kanály zahŕňajú aktívne plánovanie goroutínu a správu frontov, ktoré vytvára režijné náklady pri zaťažení.

Napríklad referenčné hodnoty, v ktorých je zapojených až 10 goroutínov, ukazujú, že mutexy sú viackrát rýchlejšie a mutexes zostávajú konkurencieschopné aj so stovkami goroutínov.

Distribúcia práce, keď sú štátne mutácie minimálne

Pre správu plátkov alebo zoznamov úloh môžu byť mutexes rýchlejšie pri krátkom uzamknutí, aby sa mohli vytlačiť alebo posunúť úlohy. Aj keď sú kanály veľmi prirodzené pre distribúciu úloh, ak je kritická časť krátka a zdieľaný stav vyžaduje rýchle blokovanie a odomknutie, mutexes sa vyhýbajú ďalšej režijnej koordinácii kanálov a prinesú lepšiu priepustnosť.

V mnohých systémoch v reálnom svete, ako sú pracovné fondy alebo fronty pracovných miest, môžu byť mutexes jednoduchšie a rýchlejšie pre správu zoznamov úloh v porovnaní s kanálmi.

Prečo sú mutexes v týchto prípadoch rýchlejšie

- Dolná réžia: Mutexes používajú pokyny atómového procesora priamo na uzamknutie a odomknutie, často bez prepínača kontextu alebo nákladných rozhodnutí o plánovaní.

- Blokovanie jadra s frontom: Tvrdenie goroutínov efektívne spí na mutexoch, vytvára frontu a plánovač ich sériovo prebudí. Kanály spôsobujú zložitejšie vzorce prebudenia a plánovania.

- Žiadne náklady na odovzdávanie správ: Kanály musia prideliť vyrovnávacie pamäte alebo položky frontov a skopírovať/prenos údajov, čo je zbytočné, keď stačí jednoduché vlastníctvo a exkluzivita.

- Priamy prístup k pamäti: Mutexes umožňujú priamy prístup k pamäti v kritickej časti, zatiaľ čo kanály vyžadujú odosielanie údajov prostredníctvom komunikačného média a pridávajú vrstvy presmerovania a latencie.

kontexty menej vhodné pre kanály

Aj keď kanály poskytujú elegantný a bezpečný spôsob komunikácie medzi goroutinami a sú veľmi cenné pre spracovanie plynovodov a manipuláciu s udalosťami, ich réžia ich robí menej vhodnými pre krátke a časté zdieľané štátne mutácie.

Kanály sú ideálne pri synchronizácii komplexných výpočtov zahŕňajúcich viac goroutínov, kde sú správy prechádzajúce sémantikou prirodzené a prospešné. Ale pre jednoduché blokovanie ležia mutexes.

Experimentálne a referenčné dôkazy

- Benchmarky s synchronizačnými primitívami GO ukazujú, že počítadlá mutex pracujú s latenciami v rozsahu nanosekúnd, zatiaľ čo počítadlá kanálov sú objednávkami pomalšie (napr. 0,8 ns oproti 60 ns na operáciu).

- Výkon sa obráti iba na veľmi vysokých mierkach (napr. Tisíce goroutínov), keď kanály môžu v niektorých prípadoch prekonať mutexy, pretože kanály vyhýbajú uzamknutiu režijných nákladov a lepším modelom súbežných potrubí.

- V súlade, mutexes prekonávajú spinlocky v dôsledku efektívnosti plánovania na úrovni jadra.

- Mutexes sa vyhýbajú alokáciám pamäte a prepínaniu kontextu prítomných v kanáloch, čo vedie k významnému zvýšeniu priepustnosti a nižšiemu využitiu CPU na ochranu zdieľaných premenných.

Zhrnutie odporúčaní prípadu použitia

- Pri ochrane zdieľanej pamäte alebo s premenlivým stavom použite súbežne prístupné, najmä ak je kritická časť krátka a zahŕňa jednoduché operácie.

- Používajte kanály na organizovanie výpočtov, potrubí a architektúr založených na udalostiach, kde správy predstavujú štát alebo úlohy, ktoré sa majú asynchrónne spracovať.

- V prípade výkonu kritického kódu zahŕňajúceho priame mutácie stavu pomocou viacerých vlákien alebo goroutínov obvykle poskytujú mutexes vynikajúcu priepustnosť a nižšiu latenciu.

- Zvážte kanály, keď vaša logika súbežnosti má úžitok zo sémantiky odovzdávania správ, ale vyhnite sa im pre vysokofrekvenčné jednoduché potreby blokovania.

Technický hlboký ponor

Mutexes zvyčajne používajú atómové operácie, ako je porovnanie a Swap (CAS) na uzamknutie a odomknutie v priestore používateľa, a zadávajú jadro iba vtedy, keď dôjde k sporu, aby zablokovali vlákno. To minimalizuje prepínanie kontextu a režijné náklady v neschopnom prípade.

Kanály implementujú fronty FIFO pre správy a sú často podporované vyrovnávacími silami, ktoré môžu zmeniť veľkosť. Odosielanie kanála zahŕňa kontrolu, či je prijímač pripravený, skopírovanie údajov do vyrovnávacej pamäte alebo blokovanie a naplánovanie prijímajúceho goroutínu. Tieto kroky pridávajú náklady, ktoré sa znásobujú pomocou prevádzkovej frekvencie.

Mutexes spánok zápasí s nimi a udržiava frontu, takže sa naraz prebudí iba jedno vlákno. Kanály môžu prebudiť viacero goroutínov, keď sú k dispozícii správy, čo vedie k zložitejšiemu plánovaniu a nákladom na prepínanie kontextu.

Záver

Stručne povedané, mutexes sú výrazne rýchlejšie ako kanály v scenároch, ktoré si vyžadujú rýchle, jednoduché a časté mutácie zdieľaného stavu s nízkym sporom alebo krátkymi kritickými časťami. Ich ľahká implementácia atómovej operácie, efektívne blokovanie jadra a prebudenie vlákien a priamy prístup do pamäte poskytujú vynikajúci výkon v porovnaní s plánovaním, kopírovaním a prenášaním správnych kanálov. Kanály sú vhodnejšie na komunikáciu s komplexnou prácou a koordináciu goroutínov, ale platia náklady v surovej rýchlosti synchronizácie.