MSDN Magazine 閱讀心得: Stream Pipeline

前一陣子研究了幾種可以在 .NET 善用多核心的作法之後, 最近剛好又在在 MSDN Magazine 看到這篇不錯的文章: http://msdn.microsoft.com/msdnmag/issues/08/02/NETMatters/default.aspx 裡面點出了另一種作法: 串流管線 (Stream Pipeline)...

如果你是以多核心能有效利用為目標, 那這篇對你可能沒什麼用... 不過如果你要處理的資料必需經過幾個 Stream 處理的話, 這篇就派的上用場. 這篇是以一個常見的例子為起點: 資料壓縮 + 加密...

在 .NET 要壓縮資料很簡單, 只要把資料寫到 GzipStream 就好, 建立 GzipStream 時再指定它要串接的 FileStream 就可以寫到檔案了 (串 Network 就可以透過網路傳出去... etc), 而加密則是用 CryptoStream, 也是一樣的用法, 可以串接其它的 Stream ...

正好利用這個特性, 資料要壓縮又要加密, 可以這樣作:

(single thread) [INPUT] --> GzipStream --> CryptoStream --> [OUTPUT]

不過那裡跟多核 CPU 扯上關係? 因為壓縮跟加密都是需要大量 CPU 運算, 這樣的作法等於是只用單一 thread 來負責 Gzip 跟 Crypto 的工作. 即使透過串接 stream , 動作被切成很多小段, 壓縮一點就加密一點, 但是仍然只有一個 thread... 再忙也仍然只有用到單一核心, 除非等到未來改板, 用類似上一篇 [TPL] 的方法改寫的 library 才有機會改善...

作者提出另一個觀點, 這兩個 stream 能不能分在兩個 thread 各別執行? 弄的像生產線 (pipeline) 一樣, 第一個作業員負責壓縮, 第二個作業員負責加密, 同時進行, 就可以有兩倍的處理速度... 答案當然是 "可以" ! 我佩服 Stephen Toub 的地方在於他很漂亮的解決了這個問題, 就是它寫了 BlockingStream 就把問題解掉了, 乾淨又漂亮... 真是甘拜下風.. 這也是我為什麼想多寫這篇的原因.

之前在念作業系統, 講到多工的課題, 有提過 "生產者 / 消費者" 的設計, 就是一部份模組負責丟出一堆工作, 而另一個模組則負責把工作處理掉. 如何在中間協調管控就是個重要的課題. 生產的太快工作會太多, 因此多到某個程度就要降低生產者的速度, 通常就是暫停. 消費者消化的太快也會沒事作, 就需要暫停來休息一下等待新的工作. 而消費者這端如果是用 thread pool 來實作, 就剛好是 [上篇] 提到的動態調整 thread pool 裡的 worker thread 數量的機制. 工作太多會動態增加 worker thread 來處理, 工作太少就會讓多餘的 worker thread 睡覺, 睡太久就把它砍了...

而這次 Stephen Toub 解決的方式: BlockingStream 則是處理生產者跟消費者之間的橋樑. Stream 這種類型, 正好是身兼消費及生產者的角色. 他舉了郵件處理的例子. 如果你有一堆信要寄, 你也許會找一個人把卡片折好, 放進信封貼郵票. 這些動作由一個人 (one thread) 來作, 就是原本的作法. 生產者就是那堆要寄的信件, 這個可憐的工人就是要把這些信裝好信封貼好郵票的消費者.

如果有第二個人呢? 他們可以分工, 一個裝信封, 一個黏郵票. 第一個人 ( thread 1 ) 裝好信封交給第二個人 (thread 2), 第二個人再黏郵票就搞定了. 這就是典型的生產線模式. 這樣在第一個人裝信封的同時, 第二個人可以貼上一封信的郵票... 因此除了裝第一封信, 第二個人沒事作, 及貼最後一張郵票, 第一個人沒事作之外, 其它過程中兩個人都有工作, 對應到程式就是一個 thread 負責壓縮, 壓縮好一部份後就交給後面的 thread 負責加密, 同時前面的 thread 則繼續壓縮下一塊資料... 剛好搭配雙核 cpu, 效能就能提高. 兩個 stream 之間就靠 StreamPipeline 及 BlockingStream 隔開在兩個不同的 thread. 原本的流程改為:

[INPUT] --> GzipStream (thread 1) --> BlockingStream --> CryptoStream (thread 2) --> [OUTPUT]

雖然技術細節才是精華, 但是這部份就請各位看原文就好, 我寫再多也比不過原文講的清楚... 我想要比較的是這樣作跟之前碰到的幾種平行處理 or thread pool 差在那裡? 這種作法有什麼好處?

其實最大的差異在於, pipeline 以外的作法 (TPL, ThreadPool) 都是把大量的工作分散給多個工人來處理. 每個人處理的內容其實都是獨立的. 比如之前我處理的問題, 要把一堆照片轉成縮圖. 每個動作都互獨立, 可以很容易的分給多個人處理, 也能得到明顯的加速, 更大的好處是人手越多效能越好.

但是事情不是一直這麼理想. 某些情況是另一個極端, 沒有辦法靠人海戰術解決. 比如這個寄信的例子, 折信紙裝到信封不難, 但是要貼郵票的話, 工人可能就得放下信紙, 到旁邊拿起郵票膠水貼上去. 反覆下來他會浪費時間在交換作這兩件事情上. 這時較好的分工就不是找兩個人一人各處理一半的信, 而是一人負責折信裝信封, 一人負責貼郵票.

當然還有另外一種考量, 如果這些信 *必需* 依照順序處理, 你也無法用 thread pool 這種人海戰術來處理, 一定要把工作切成不同階段, 由專人負責才可以. 這就是 pipeline 能夠應用的時機. 其實這種作法在 CPU 很普遍, 多虧之前修過 micro-processor, 也多少學到皮毛. X86 CPU 從 80386 開始稱作 "超純量" (super scaler) CPU, 就是代表它在單一 clock cycle 能執行完超過一個指令, 靠的也是 pipeline.

再講下去就離題了, 簡單的說以往平行處理都是用 multi thread 來分配工作, 就像銀行有好幾個櫃台, 每個客戶在單一櫃台就辦完他的手續. 而 pipeline 就像拿選票一樣, 第一位查證件, 第二位蓋章, 第三位給你選票, 第四位問你要不要領公投票... 咳咳 (我實在不支持公投題目這麼無聊, 無關黨派)... 這是屬於兩種不同維度的工作切割方式. 使用 pipeline 的方式切割有幾個好處:

  1. 每個階段都負責單一工作, 動作簡單明確, 因此就可以更簡潔快速, 不會有額外的浪費
  2. 不會像 thread pool 那樣, 會有不固定個數的 worker thread 在服務, thread 數量一定是固定的, 減少了 thread create / destory 的成本

不過呢, 缺點也不少, 文章內也列了幾點:

  1. 效能不見得能照比例提升. 整個 pipeline 過程中只要有一階段較慢, 會卡住整條生產線. 以此例來說, 只提升了 20% 的效能, 因為管線的兩個階段花費的時間並不相等.
  2. 如果我有足夠的人手, 但是工作的特質不見得能切成這麼多階段, 因此擴充性有限, 以此例來說, 你用四核CPU就派不上用處了, 仍然只能分成兩階來處理. 
  3. pipeline 啟動及結束的成本較高. 一開始只有前面階段有工作做, 最後只有後面階段有工作做. pipeline 切越多 stage 問題就越嚴重. 這在 CPU 的架構設計上比較常在探討這問題, 就是管線清空後造成的效能折損. 這也是為什麼常聽到園區停電一分鐘, 台積電就會損失幾億的原因... 因為它的生產線很長, 停掉生產線跟啟動生產線的成本高的嚇人.

廢話講了很多, 主要是這篇文章提供了另一種平行處理的方式, 是較少看到的, 就順手把心得寫一寫了, 自己留個心得, 以後才不會忘掉 [:D]. 最後, 很豬頭的是, 整篇英文很辛苦的 K 完, 才發現有中文版的, 真是... 下次各位看文章前請先注意一下有沒有中文版 [H], 當然你英文很好的話就沒差... 哈哈..






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