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【译】Java、Go 和 Python三种语言的多线程性能比较转载

2月前
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在计算机中,线程是可以由处理器独立执行的最小指令序列,也CPU调度的基本单位。而多线程可以理解成是一项多个线程并行执行的技术,它通过共享资源,例如指令和上下文,可以大大提升CPU的工作效率。

现在各种编程语言对于多线程各有自己的考虑,那些去理解并发现这些语言在多线程并行执行的性能,对于开发者们来说就显得非常有必要。

本文的目的是分析和比较 Java、Go 和 Python 使用它们的并行工具解决几种算法的性能,例如:Java 和 Python 的线程,以及 Go 的 goroutine。为了评估性能,我们编写了经典矩阵乘法算法、快速排序算法和康威生命游戏的并行实现。

背景

Java :它是一种面向对象的编程语言,通过Thread类、Runnable接口和java.util.concurrent包中包含的其他功能内置支持并发。

Go:它是谷歌在 2012 年发布的一种编程语言。它是一种类似于 C 的过程语言,并且具有垃圾收集器和内置的并发支持。对于并发性和并行性,Go 使用称为goroutines的线程实现。它使用内置的调度程序在后台处理线程,并试图向用户隐藏通常线程管理的大部分复杂性,以支持简单地指定要运行的函数并使用go命令为它们开头。Go 在幕后使用操作系统 (OS) 线程。

Python:标准库线程,这个模块封装了线程,提供了一个干净的接口来处理它们。在这种方法中,操作系统实际上知道每个线程,并且可以随时中断它以开始运行不同的线程。可以使用 Python 的其他标准库(称为multiprocessing )在 Python 中实现并行性,而多处理Python 会创建新进程。线程模块使用线程,多处理模块使用进程。不同之处之一是线程在相同的内存空间中运行,而进程具有单独的内存。

矩阵乘法:它是线性代数中一个重要而简单的数学运算,经典的矩阵乘法算法(CMMA)可以很容易地用任何编程语言实现。CMMA 在O(N^3)中运行,其中N是矩阵的维度。

快速排序:它是一种分而治之的算法。最初,它将数组拆分为两个子数组:分别是较低的项和较高的项。然后它递归地对这些子数组进行排序。其算法可以描述为:

  1. 从数组中选择一个枢轴元素。
  2. 对数组进行分区,使得枢轴左侧的所有元素的值都小于枢轴的值,而枢轴右侧的所有元素的值都大于枢轴的值。
  3. 对生成的子数组递归执行上述步骤,直到得到完全排序的子数组。

它的平均排序复杂度为O(n log(n)),但在极少数情况下会降级为O(n^2)

康威的人生游戏:它是由剑桥大学冈维尔和凯斯学院的数学家约翰霍顿康威在 60 年代开发的。规则是:

  1. 规则 1 生存:如果一个活细胞有两个或三个活的邻居,它就可以生存。
  2. 规则 2 死亡:如果一个活细胞的存活邻居少于两个或多于三个,它就会死亡。
  3. 规则 3 出生:如果一个死细胞恰好有三个活着的邻居,它就会出生。

下一张图片显示了康威从时间T到时间T + 2的生活游戏的几个场景。该算法的一个简单实现将检查每一步的每个单元格,其时间复杂度为O(M × N ),其中M表示行数,N表示网格的列数。

它展示了康威从时间 T 到时间 T + 2 的生活游戏的几个场景
康威人生游戏的例子

解决方案

所有基准测试都在同一台计算机和同一环境中执行。表 I 显示了我们进行实验的硬件规格,表 II 显示了每种语言编程编译器的版本

硬件和软件(编程语言)概述
硬件和软件(编程语言)概述

对于每个基准,我们计算其各自的加速和效率。加速比定义为最佳顺序时间与p个处理器的并行时间之比:S = T1/Tp。那么效率定义为:并行系统中每个处理器的总体利用率:E = S/p

矩阵乘法:在本实验中,我们使用由C = AB计算的简单矩阵乘法。矩阵的大小为 512 × 512。我们正在运行一个顺序场景,然后是几个线程池大小为:2、4、8、16 和 32 个线程的多线程场景。相同的矩阵AB用于运行 Java、Go 和 Python 中的代码。这些矩阵将具有从 0 到 1000 的整数值(包括 0 到 1000)。线程池将接收n 个工作,表示矩阵A中的行数,然后每个线程将执行该特定行的乘法,并更新C中的相应行与得到的结果。每次线程完成其工作时,它将从线程池接收新的分配,直到所有工作都完成。下图说明了矩阵C的计算。

矩阵乘法
矩阵乘法

快速排序:我们从 0 到 10^7(包括 0 到 10^7)对 10^7 个整数值的数组进行排序。我们使用ForkJoinPool方法来解决这个实验。执行顺序运行,然后多线程测试以 2 的幂从 2 到 32 个线程。这 3 个实现对同一个数组进行排序。在快速排序的并行实现中,分区后新子序列的排序可以并行执行,因为没有冲突。

康威生命游戏:康威生命游戏中有几个初始已知模式会产生预期的结果,有一个会无限增长,下一张图像的左侧显示其初始设置。在这个基准测试中,我们定义了一个 28 × 28 的 2D 网格,其中 4 个先前的模式彼此相邻,并在 20,000 代期间执行游戏,该网格看起来像下图的右侧。

无限增长模式

对于这个实验,我们重复线程池方法,它将处理 2、4、8、16 和 32 个线程。此外,我们运行顺序实现。我们并行应用了决定细胞在每一代中是否继续生存、死亡或重生的规则。此外,为了获取单元格的邻居,我们不会将网格视为无限网格,如果单元格的邻居在世界范围之外,则认为它已死。

结果

矩阵乘法:表 III 显示了运行矩阵乘法基准后获得的结果。Java 是顺序执行中最好的,它在 316 毫秒内运行了 512 × 512 矩阵乘法,而 Go 消耗了 453 毫秒,这代表顺序运行的时间增加了 43.35%。性能最差的是 Python,它使用了 93,870 毫秒(93.87 秒),相差约 29,600%。

此外,在表 III 中可以看出,当使用 2 个线程执行基准测试时,Java 性能更好,但是当实验在 4、8 和 16 个线程中运行时,Go 优于 Java 和 Python。我们可以在 32 个线程的阈值处检测到性能下降,这可能是由于创建过多线程的开销超过了 CPU 中的物理内核;即使在这种恶化的情况下,Go 的性能也优于其他两种语言。

矩阵乘法时间消耗(以毫秒为单位)。 越低越好。
矩阵乘法时间消耗(以毫秒为单位)。越低越好。

下图的左侧反映了对于 Go,从 2 到 4 个线程的性能差异是显着的(大约 92% 的改进),而从 8 到 16 个线程的性能差异是微不足道的,因为图中的曲线几乎保持不变,这说明我们认为 8 个线程对于这个特定场景来说是一个很好的数字。另一方面,Java 的性能从 2 个线程稳步增加到 16 个线程;从这个图中,我们可以选择 16 个线程作为大量线程,以便在 Java 中获得不错的性能。从下图右侧可以确定,资源利用效率最差的是Python,最好的是Go。

矩阵乘法的加速和效率。
矩阵乘法的加速和效率。

快速排序:在表 IV 中,我们可以看到 Go 在测试的顺序运行中获得最佳性能,而 Python 最差。Python 实现的一般行为非常糟糕,在 16 和 32 线程的情况下,应用程序无法完成执行(DNF 代表没有完成)卡住并阻塞计算机。Go 提供了有趣的结果,因为多线程运行从糟糕到最差的性能。对于这个度量,Java 获得了最好的多线程结果,但是在 16 和 32 线程的运行中,我们可以发现性能下降,其中 16 线程的性能最差。

快速排序时间消耗(以毫秒为单位)。越低越好。

下图左侧的加速表明,当使用 Java 实现时,使用超过 8 个线程运行快速排序算法是没有意义的。此外,我们可以看到 32 线程的运行比 16 线程的运行好一点,但比 8 线程的运行差。该图反映了 Go 多线程实现不如顺序实现。即使 Python 的性能很差,使用 2、4 和 8 个线程的运行也比顺序运行要好。

下图右侧反映的效率证实了我们在表 IV 中看到的最好的,但不是最差的,因为这个图可以让我们认为 Python 比 Go 更好,但是时间的消耗告诉我们一段不同的历史:Go 的表现优于 Python。

快速排序的加速和效率。
快速排序的加速和效率。

康威的人生游戏:Python 再次获得了所有 3 种实现中最差的结果,但是正如我们在表 V 中看到的,它是唯一一个从顺序实现到多线程实现有一些改进的版本;尽管如此,随着线程数量的增加,时间的消耗也会增加。在 Java 和 Go 的情况下,它们的最佳性能来自顺序实现。在 Java 场景中,从顺序版本到具有 32 个线程的版本的时间差异为 11,455%,这代表了当时的巨大差距。在 Java 实现中,每一代之后都会释放线程池并创建一个新的线程池,这会产生相当大的开销。Go 行为不稳定,时间利用率从顺序到 2 线程版本增加,然后在 4、8、

康威的生命时间消耗游戏(以毫秒为单位)。越低越好。

下图的加速图证实了康威生命游戏的多线程实现的一般性能很差。围绕加速曲线的期望是它应该遵循增加的行为,而这并没有发生。报告的效率表明资源没有得到适当的利用。Java 的效率非常接近于零,Go 和 Java 之间只有一点点差异。

康威人生游戏的加速和效率。
康威人生游戏的加速和效率。

总结

创建线程的开销直接影响应用程序的性能。在表 III 中可以看出,在达到某个阈值后继续创建线程是没有意义的,因为性能会下降。

如表 V 所示,使用多线程解决问题并不能保证我们会获得更好的性能,有时顺序实现是最好的选择。

处理并发性和并行性的 Python 标准库不如 Java 和 Go 等其他编程语言中实现的标准库。

很难说 Java 和 Go 之间哪个更好,因为 Java 在矩阵乘法基准测试中优于 Go,但 Go 在快速排序实验中超过了 Java。

未来的工作

这项工作仅限于每个算法的基本实现,下一步将是复制本研究引入的场景,但使用每个基准测试的最知名实现。

在 Python 中实现并行代码有多种选择,例如:MPI for Python、CharmPy、Numba 等。一个好的实验是使用这个库用更有效的实现来替换书面代码。

扩展这项研究的一种方法是考虑其他技术方面,例如编译时间、文件大小和编写的代码行数。

参考资料

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