Muteksler, özellikle hafif doğaları ve çekişme ve senkronizasyonu yönetme biçimleri nedeniyle belirli kullanım durumlarındaki kanallardan önemli ölçüde daha hızlı olabilir. Mutekslerin kanallardan daha iyi performans gösterdiği bağlamlarla ilgili ayrıntılı açıklamalar:
Performansı etkileyen temel farklılıklar
Muteksler, bir seferde sadece bir iplik veya goroutine kritik bir bölüme erişmesine izin vererek karşılıklı dışlama sağlar. Dahili olarak, bir Mutex işlemi tipik olarak atomik talimatları içerir ve sadece çekişme olduğunda çekirdek seviyesi engellemeyi içerebilir. Bu nedenle, tutulmamış muteks kilidi/kilidini açma işlemleri genellikle sadece birkaç nanosaniye mal olur.
Kanallar, aksine, goroutinler veya iplikler arasındaki iletişim için tasarlanmış daha yüksek seviyeli soyutlamalardır. Bir kanalda göndermek veya almak bir kuyruk, olası bellek tahsislerini yönetmeyi, goroutinleri planlamayı ve uyuyorsa onları uyandırmayı içerir. Bu yük, bir kanal tarafından korunan basit durum mutasyonlarının bile, bağlam anahtarlama ve koordinasyon çalışması nedeniyle bir muteksle karşılaştırıldığında daha fazla maliyete maruz kalması anlamına gelir.
Bu temel farklılıklar, basit paylaşılan değişken koruma veya kritik bölümler için mutekslerin genellikle daha hızlı olduğunu zaten göstermektedir.
Mutekslerin daha hızlı olduğu durumları kullanın
Basit paylaşılan durum koruması
Bir programın, sayaçlar, haritalar veya basit bayraklar gibi paylaşılan değişkenleri koruması gerektiğinde, kritik bölüm minimal senkronizasyon yükünü içerdiğinden çok daha hızlıdır. Örnekler şunları içerir:
- Bir web sunucusundaki isteklerin sayılması: Her istek artış işlemi, bir kanaldan mesaj göndermenin yükünü gerektirmeden bir muteks tarafından korunabilir, bu da sıralama ve planlama gecikmeleri ekler. Muteksler, basit, doğrudan erişime izin verir ve verimi büyüklük veya daha fazla sırayla iyileştirdiği gösterilmiştir.
- Paylaşılan önbelleklere veya haritalara erişme: Veri yapılarını mutekslerle korumak, satır içi okumalar sunar ve minimum yük ile yazar. Her erişim bir istek yanıtı gidiş dönüşü haline geldiğinden, kanalları burada ara kullanan aracılar olarak kullanmak ekstra gecikme getirir.
Benchmark testleri, muteks tabanlı sayaçların, senkronizasyondaki azalma ve kanallarda bulunan kuyruk yönetimi ve bağlam anahtarlama maliyetinden kaçınması nedeniyle kanal tabanlı sayaçlardan yaklaşık 75 kat daha hızlı olabileceğini göstermektedir.
Düşük çekişme veya tutulmamış senaryolar
Düşük çekişme ortamlarında, muteks kilidi ve kilidini açma işlemleri, bekleme süresi olmayan neredeyse sadece atomik işlemlerdir. Kilitlenmenin hafif olduğu ve genellikle çekirdek düzeyinde programlamayı tetiklemediği için mutekslerin parladığı durumdur.
Bununla birlikte, kanallar düşük tartışmalarda bile maliyetlere maruz kalır, çünkü her gönderme/alma daha karmaşık yönetim, tamponlama ve senkronizasyon içerir. Bu nedenle, az sayıda goroutin veya az çekişme olan senaryolarda, muteksler kanallardan önemli ölçüde daha iyi performans gösterir.
Basit kilitleme ile yüksek eşzamanlılık
Birçok goroutinin paylaşılan durumu değiştiren çok kısa kritik bölümler gerçekleştirdiği senaryolarda, muteksler hala kanallardan daha verimli olma eğilimindedir. Bunun temel nedeni, mutekslerin çekirdekte goroutinleri engellemesi, verimli zamanlamaya izin vermesi ve kilidini açarken tam olarak bir goroutin uyandırmasıdır. Kanallar ise, yük altında ek yük oluşturan aktif goroutin planlama ve kuyruk yönetimini içerir.
Örneğin, 10'a kadar goroutinin dahil olduğu kriterler, mutekslerin birkaç kez daha hızlı olduğunu ve mutekslerin yüzlerce goroutin ile bile rekabetçi olduğunu gösteriyor.
Eyalet mutasyonları minimal olduğunda iş dağıtım
Dilimleri veya görev listelerini yönetmek için, görevleri patlatmak veya itmek için kısa bir süre kilitlenirken muteksler daha hızlı olabilir. Kanallar görev dağıtımı için çok doğal olsa da, kritik bölüm kısaysa ve paylaşılan durum hızlı kilitleme ve kilidini açarsa, muteksler kanal koordinasyonunun ek yükünden kaçınır ve daha iyi verim getirir.
İşçi havuzları veya iş kuyrukları gibi birçok gerçek dünya sisteminde, muteksler kanallara kıyasla görev listelerini yönetmek için daha basit ve daha hızlı olabilir.
Bu durumlarda neden muteksler daha hızlı
- Alt Tepegöz: Mutexes, genellikle bağlam anahtarı veya pahalı zamanlama kararları olmadan doğrudan kilitleme ve kilidinin açılması için atomik CPU talimatlarını kullanır.
- Kuyruklu Çekirdek Engelleme: Goroutines'in mutekslerde uykusu verimli bir şekilde uykusu, bir kuyruk oluşturur ve zamanlayıcı onları seri olarak uyandırır. Kanallar daha karmaşık uyanma ve zamanlama modellerine neden olur.
- İleti geçme maliyeti yok: Kanallar arabellek veya kuyruk girişleri tahsis etmeli ve basit sahiplik ve münhasırlık yeterli olduğunda gereksiz olan verileri kopyalamak/aktarmalıdır.
- Doğrudan Bellek Erişimi: Mutexes, kritik bir bölüm içinde doğrudan bellek erişimine izin verirken, kanallar bir iletişim ortamı aracılığıyla veri gönderilmesini ve dolaylı ve gecikme katmanları eklemesini gerektirir.
kanallar için daha az uygun bağlamlar
Kanallar, goroutinler arasında iletişim kurmak için zarif ve güvenli bir yol sunsa ve boru hattı işleme ve olay işleme için oldukça değerli olsa da, genel giderleri onları kısa, sık paylaşılan durum mutasyonları için daha az uygun hale getirir.
Kanallar, mesajdan geçen semantiğin doğal ve faydalı olduğu birden fazla goroutin içeren karmaşık hesaplamaları senkronize ederken idealdir. Ancak basit kilitleme için muteksler parlar.
Deneysel ve Karşılaştırma Kanıtı
- Go'nun senkronizasyonel ilkelleri ile ölçütler, muteks sayaçlarının nanosaniye aralığındaki gecikmelerle çalıştığını gösterirken, kanal sayaçları daha yavaş büyüklük sıralarıdır (örn., Operasyon başına 0.8 ns ve 60 ns).
- Kanallar bazı durumlarda mutekslerden daha iyi performans gösterebildiğinde, performans yalnızca çok yüksek ölçeklerde (örn. Binlerce goroutin) tersine döner, çünkü kanallar tepegöz ve daha iyi model eşzamanlı boru hatlarından kaçınır.
- Çekişme altında, muteksler çekirdek seviyesi planlama verimliliği nedeniyle spinlocklardan daha iyi performans gösterir.
- Mutexes, kanallarda mevcut olan bellek tahsislerinden ve bağlam anahtarlamasından kaçınır, bu da verimlilikte önemli kazanımlara ve paylaşılan değişkenleri korumak için daha düşük CPU kullanımına yol açar.
Kullanım özeti vaka önerileri
- Özellikle kritik bölüm kısaysa ve basit işlemleri içeriyorsa, paylaşılan belleğin veya değiştirilebilir durumun eşzamanlı olarak erişimi korurken muteksleri kullanın.
- Hesaplamaları, boru hatlarını ve etkinlik odaklı mimarileri düzenlemek için kanalları kullanın, burada mesajların veya görevleri eşzamansız olarak işlenecek şekilde temsil edin.
- Birden çok iş parçacığı veya goroutin tarafından doğrudan durum mutasyonlarını içeren performans açısından kritik kod için, muteksler genellikle üstün verim ve daha düşük gecikme sağlar.
- Eşzamanlılık mantığınız mesajı geçen anlambilimden yararlandığında kanalları göz önünde bulundurun, ancak yüksek frekanslı basit kilitleme ihtiyaçları için bunlardan kaçının.
Teknik derin dalış
Muteksler tipik olarak kullanıcı alanında kilitleme ve kilidin açma için karşılaştırma ve SWAP (CAS) gibi atomik işlemleri kullanır ve yalnızca ipliği engellemek için çekişme meydana geldiğinde çekirdeğe girer. Bu, kiralanmamış durumda bağlam anahtarlamasını ve ek yükü en aza indirir.
Kanallar mesajlar için FIFO kuyruğu uygular ve genellikle yeniden boyutlandırılabilecek tamponlarla desteklenir. Bir kanala göndermek, alıcının hazır olup olmadığını kontrol etmeyi, verileri arabelleğe kopyalamanın veya bloke etme ve alıcı goroutin planlamayı içerir. Bu adımlar, çalışma frekansı ile çoğaltan maliyetler ekler.
Mutexes, bir seferde sadece bir iplik uyanır, böylece bir kuyruk tutar ve bir kuyruk tutar. Kanallar, mesajlar kullanılabilir hale geldikçe birden fazla goroutin uyandırabilir, bu da daha karmaşık zamanlama ve bağlam değiştirme maliyetlerine yol açar.
Çözüm
Özetle, muteksler, düşük tartışma veya kısa kritik bölümlere sahip hızlı, basit ve sık paylaşılan durum mutasyonları gerektiren senaryolardaki kanallardan önemli ölçüde daha hızlıdır. Hafif atomik çalışma uygulamaları, verimli çekirdek engelleme ve iş parçacığının uyanması ve doğrudan bellek erişimi, baş üstü kanalların planlanmasına, kopyalanmasına ve mesajı geçirmeye kıyasla üstün performans sağlar. Kanallar, karmaşık çalışmayı iletmek ve goroutinleri koordine etmek için daha uygundur, ancak ham senkronizasyon hızında bir maliyet ödemektedir.
Bu anlayış, üretim sistemlerinden ve deneysel sonuçlardan çok sayıda ölçüt ve pratik örneklerle desteklenmektedir. Bu nedenle, muteksler ve kanallar arasındaki karar, iş yükü özelliklerine ve senkronizasyon ihtiyaçlarına dayanmalıdır, paylaşılan belleği korumada ham hız için tercih edilen muteksler ve daha üst düzey koordinasyon ve iletişim kalıpları için ayrılmış kanallar.