Mutexes so lahko bistveno hitrejši od kanalov v posebnih primerih uporabe predvsem zaradi njihove lahke narave in načina upravljanja prepirov in sinhronizacije. Tu so podrobna pojasnila s konteksti, kjer muteksi presegajo kanale:
Temeljne razlike, ki vplivajo na uspešnost
Mutexes zagotavljajo medsebojno izključitev, tako da omogočajo samo eno nit ali goroutin dostop do kritičnega odseka hkrati. Notranjost operacija mutex običajno vključuje atomska navodila in lahko vključuje blokiranje na ravni jedra le, kadar pride do prepiranja. Zaradi tega so neizkoriščene operacije Mutex zaklepanja/odklepanja pogosto stale le nekaj nanosekund.
Kanali so v nasprotju s tem abstrakcije na višji ravni, zasnovani za komunikacijo med goroutini ali nitmi. Pošiljanje ali prejemanje na kanalu vključuje upravljanje čakalne vrste, morebitne dodelitve pomnilnika, načrtovanje goroutinov in prebujanje, če spite. Ta režijski stroški pomenijo celo preproste državne mutacije, ki jih varuje kanal, imajo več stroškov v primerjavi z mutexom zaradi kontekstnih preklopnih in koordinacijskih del.
Te temeljne razlike že kažejo, zakaj so za preprosto skupno spremenljivo zaščito ali kritične odseke muteksi na splošno hitrejši.
Primeri uporabe, kjer so muteksi hitrejši
Enostavna zaščita v skupni rabi države
Ko mora program zaščititi skupne spremenljivke, kot so števci, zemljevidi ali preproste zastave, so muteksi veliko hitrejši, saj kritični odsek vključuje minimalno sinhronizacijo nad glavo. Primeri vključujejo:
- Štetje zahtev na spletnem strežniku: Vsako operacijo povečanja zahteve lahko varuje Mutex, ne da bi potrebovali režijske stroške pošiljanja sporočil prek kanala, ki dodaja čakalne vrste in zamude pri načrtovanju. Mutexes omogočajo neposreden, neposreden dostop in dokazano je, da izboljšujejo pretok z vrstnim redom ali več.
- Dostop do skupnih predpomnilnikov ali zemljevidov: Zaščita podatkovnih struktur z mutexes ponuja vgrajene odčitke in zapiše z minimalnimi režijskimi stroški. Uporaba kanalov kot posrednikov tukaj uvaja dodatne zamude, saj vsak dostop postane povratni odziv na zahtevo.
PRESKUSNI PRESKETI kažejo, da so števci, ki temeljijo na Mutexu, lahko približno 75-krat hitrejša od števcev, ki temeljijo na kanalu, zaradi zmanjšanih režijskih stroškov pri sinhronizaciji in izogibanju stroškom upravljanja čakalnih vrst in preklopa konteksta, ki so značilni za kanale.
Nizka prepiranje ali nesporni scenariji
V okolju z nizkim pregledom so operacije zaklepanja in odklepanja Mutex skoraj le atomske operacije brez čakalnih rokov. Nepozideni primer je, ko muteksi sijejo, saj je zaklepanje lahka in običajno ne sproži razporeda na ravni jedra.
Kanali pa imajo stroške tudi pri nizki prepiri, ker vsak pošiljanje/sprejemanje vključuje bolj zapleteno upravljanje, medsebojno delovanje in sinhronizacijo. Tako za majhno število goroutinov ali v scenarijih z malo sporne prepire znatno presegajo kanale.
visoka sočasnost s preprostim zaklepanjem
V scenarijih, kjer veliko goroutinov izvaja zelo kratke kritične odseke, ki spreminjajo skupno stanje, so muteksi še vedno bolj učinkoviti od kanalov. Ključni razlog je, da Mutexes blokirajo goroutine v jedru, kar omogoča učinkovito načrtovanje in prebujanje točno enega goroutina pri odklepanju. Kanali na drugi strani vključujejo aktivno načrtovanje goroutine in upravljanje čakalnih vrst, ki ustvarjajo režijske stroške pod obremenitvijo.
Na primer, merila, v katerih je vključenih do 10 goroutinov, kažejo, da so muteksi večkrat hitrejši, muteksi pa ostajajo konkurenčni tudi s stotimi goroutini.
Delovna porazdelitev, kadar so državne mutacije minimalne
Za upravljanje rezin ali seznamov nalog lahko mutexes hitrejši, ko se na kratko zaklenete, da pop ali potisne naloge. Čeprav so kanali zelo naravni za porazdelitev nalog, če je kritični odsek kratek in skupno stanje zahteva hitro zaklepanje in odklepanje, se muteksi izognejo dodatnim režijskim stroškom usklajevanja kanalov in prinesejo boljši pretok.
V številnih sistemih v resničnem svetu, kot so delavci delavcev ali čakalne vrste, so mutexes lahko enostavnejši in hitrejši za upravljanje seznamov nalog v primerjavi s kanali.
Zakaj so muteksi v teh primerih hitrejši
- Nižje nadzemne stroške: Mutexes Uporabite navodila za atomski CPU neposredno za zaklepanje in odklepanje, pogosto brez kontekstnega stikala ali dragih odločitev o načrtovanju.
- Blokiranje jedra s čakalno vrsto: Učinkovito pretepanje goroutinov spijo na muteksih, tvorijo čakalno vrsto in načrtovalec jih serijsko zbudi. Kanali povzročajo bolj zapletene vzorce budnosti in načrtovanja.
- Brez sporočil, ki prenašajo stroške: Kanali morajo dodeliti medpomnilnike ali vnose v čakalno vrsto in kopirati/prenos podatkov, kar je nepotrebno, kadar sta dovolj preprosta lastništvo in ekskluzivnost.
- Neposredni dostop do pomnilnika: Mutexes omogočajo neposreden dostop do pomnilnika v kritičnem razdelku, medtem ko kanali zahtevajo pošiljanje podatkov prek komunikacijskega medija in dodajajo plasti posredne in zakasnitve.
Konteksti manj primerni za kanale
Čeprav kanali zagotavljajo eleganten in varen način za komunikacijo med goroutini in so zelo dragoceni za obdelavo cevovodov in ravnanje z dogodki, so njihovi režijski stroški manj primerni za kratke, pogoste mutacije v skupni rabi.
Kanali so idealni pri sinhronizaciji zapletenih izračunov, ki vključujejo več goroutinov, kjer so semantika sporočila naravna in koristna. Toda za preprosto zaklepanje sijejo mutexes.
Eksperimentalni in referenčni dokazi
- Merila z GO -jevimi sinhronizacijskimi primitivi kažejo, da števci mutex delujejo z zamudami v območju nanosekund, medtem ko so števci kanalov po velikosti počasnejši (npr. 0,8 ns v primerjavi s 60 ns na operacijo).
- Učinkovitost se obrne le na zelo visokih lestvicah (npr. Na tisoče goroutinov), kadar lahko kanali v nekaterih primerih presežejo mutexes, saj se kanali izogibajo zaklepanju nad glavo in boljšega modela sočasnih cevovodov.
- Podpiranje muteksi presegajo vrtenje zaradi učinkovitosti načrtovanja na ravni jedra.
- Mutexes se izogibajo dodelitvam pomnilnika in kontekstne preklop, ki so prisotni v kanalih, kar vodi do znatnih dobičkov pri pretoku in nižji uporabi CPU za zaščito skupnih spremenljivk.
Povzetek priporočil primera uporabe
- Uporabite mutexes pri zaščiti skupnega pomnilnika ali spremenljivega stanja sočasno, še posebej, če je kritični odsek kratek in vključuje preproste operacije.
- Uporabite kanale za orkestriranje izračunov, cevovodov in arhitekture, ki temeljijo na dogodkih, kjer sporočila predstavljajo stanje ali naloge, ki jih je treba obdelati asinhrono.
- Za uspešnost kritične kode, ki vključuje neposredne mutacije stanja z več nitmi ali goroutini, mutexes običajno zagotavljajo vrhunsko prepustnost in nižjo zamudo.
- Razmislite o kanalih, ko vaša sočasna logika koristi od semantike sporočil, ki pa se jim izogibajo, vendar se jim izogibajte za visokofrekvenčne potrebe po preprostih zaklepanju.
Tehnični globok potop
Mutexes običajno uporabljajo atomske operacije, kot je primerjava in zamenjava (CAS) za zaklepanje in odklepanje v uporabniškem prostoru in v jedro vstopijo samo, ko se spopada, da blokira nit. To zmanjšuje kontekstno preklop in nadgradnjo v neprimernem primeru.
Kanali izvajajo čakalne vrste FIFO za sporočila in jih pogosto podpirajo medpomnilniki, ki lahko spreminjajo velikost. Pošiljanje na kanalu vključuje preverjanje, ali je sprejemnik pripravljen, kopiranje podatkov v medpomnilnik ali blokiranje in načrtovanje sprejemanja goroutine. Ti koraki dodajo stroške, ki se pomnožijo s frekvenco delovanja.
Mutexes spanja, ki se spopadajo z nitmi in vzdržujejo čakalno vrsto, tako da se naenkrat zbudi samo ena nit. Kanali lahko prebudijo več goroutinov, ko bodo na voljo sporočila, kar vodi do bolj zapletenih stroškov načrtovanja in konteksta.
Sklep
Če povzamemo, so muteksi bistveno hitrejši od kanalov v scenarijih, ki zahtevajo hitre, preproste in pogoste mutacije v skupni rabi z nizko prepiro ali kratkimi kritičnimi odseki. Njihova lahka izvedba atomskega delovanja, učinkovito blokiranje jedra in prebujanje niti in neposreden dostop do pomnilnika zagotavljajo vrhunske zmogljivosti v primerjavi z načrtovanjem, kopiranjem in prenašanjem sporočil nadzemnih kanalov. Kanali so bolj primerni za komunikacijo zapletenega dela in usklajevanje goroutinov, vendar plačujejo stroške v hitrosti sinhronizacije surove sinhronizacije.
To razumevanje podpira več meril in praktičnih primerov proizvodnih sistemov in eksperimentalnih rezultatov. Tako bi morala odločitev med muteksi in kanali temeljiti na značilnostih delovne obremenitve in potreb po sinhronizaciji, pri čemer so mutexes prednostni za surovo hitrost pri varovanju skupnega pomnilnika in kanalov, rezerviranih za koordinacije na višji ravni in komunikacijske vzorce.