ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2026-26-1-125-134ntv-571Research ArticleКОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИCOMPUTER SCIENCEОценка производительности алгоритмов синхронизации в средах исполнения с легкими потоками на языке С++Performance evaluation of synchronization algorithms in lightweight thread environments in C++https://orcid.org/0009-0002-1959-2010СкаженикТ. М.SkazhenikT. M.

Скаженик Тарас Михайлович — аспирант

Санкт-Петербург, 197101

Taras M. Skazhenik — PhD Student

Saint Petersburg, 197101

taras.skazhenik@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9134-5490АксеновВ. Е.AksenovV. E.

Аксенов Виталий Евгеньевич — PhD, доцент

Санкт-Петербург, 197101

sc 57195411657

Vitaly E. Aksenov — PhD, Associate Professor

Saint Petersburg, 197101

sc 57195411657

aksenov.vitaly@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0004-9276-2172МалаховА. А.MalakhovA. A.

Малахов Антон Александрович — научный сотрудник

Нижний Новгород, 603138

Anton A. Malakhov — Scientific Researcher

Nizhny Novgorod, 603138

Anton.A.Malakhov@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0009-3165-4932ЧурбановА. В.ChurbanovA. V.

Чурбанов Андрей Васильевич — независимый исследователь

Andrey V. Churbanov — Independent Researcher

andrey.churbanov@gmail.comУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationУниверситет НеймаркРоссияNeimark UniversityRussian Federation202625022026261125134Copyright © Скаженик Т.М., Аксенов В.Е., Малахов А.А., Чурбанов А.В., 20262026Скаженик Т.М., Аксенов В.Е., Малахов А.А., Чурбанов А.В.Skazhenik T.M., Aksenov V.E., Malakhov A.A., Churbanov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/571

Введение. Традиционно, многопоточные структуры данных разрабатывались и тестировались для вызовов из потоков операционной системы. Однако в последнее время в языках программирования появилась альтернатива — легкие потоки (иначе известные, как асинхронные вызовы, и корутины). Такие потоки бывают двух видов со стеком и без него. В настоящей работе рассмотрены стековые корутины. Основное преимущество легких потоков заключается в меньшем количестве накладных расходов. В отличие от потоков операционной системы, в стандартной библиотеке языка С++ отсутствует реализация стековых легких потоков. Они предоставляются несколькими библиотеками, отличающимися: планированием исполнения потока, способом хранения данных в памяти и интерфейсом использования. Кроме того, переиспользование существующего кода невозможно из-за необходимости явной разметки кода точками переключения контекста, отсутствие которых может приводить к взаимной блокировке легких потоков. Для ограничения области исследования рассмотрен конкретный вид многопоточных примитивов — мьютекс (иначе известный, как взаимное исключение). Метод. Выполнен анализ нескольких библиотек для работы с легкими потоками: Argobots, Boost Fibers, Userver. На основе оценки их функциональности, разработан трехступенчатый механизм ожидания, использующий активное ожидание, переключение контекста, а также способы приостановки и возобновления легкого потока. Описание механизма включает предложение об общем способе его внедрения в известные алгоритмы мьютексов. Механизм служит дополнительным слоем абстракции между библиотеками легких потоков и мьютексами, позволяя реализовывать их в общем виде. Из-за отсутствия существующих решений, был создан инструмент для тестирования и оценки производительности модифицированных мьютексов. Основные результаты. С помощью предложенного метода ряд известных мьютексов был адаптирован для вызовов из легких потоков. Для тестирования получившихся примитивов разработан инструмент, позволяющий интегрировать произвольные реализации легких потоков и учитывающий специфику работы с ними. В результате была измерена пропускная способность адаптированных мьютексов с помощью нового инструмента на специальном сценарии, отражающем особенности кооперативной многозадачности. Обсуждение. В перспективе планируется формирование библиотеки, включающей все известные реализации мьютексов, адаптированных под вызовы из легких потоков. Это позволит провести детальное сравнение производительности этих алгоритмов в зависимости от: библиотеки легких потоков, алгоритмов планировщика и архитектуры процессора. Ожидается, что детальный анализ поведения существующих алгоритмов позволит создать новую реализацию мьютекса, работающего наиболее эффективно на вызовах из легких потоков.

Traditionally, multithreaded data structures have been designed and tested for use with Operating System (OS) threads. However, in recent years, programming languages have introduced an alternative — lightweight threads (also known as asynchronous calls or coroutines). These threads can be divided into two types: stackful and stackless; this paper focuses on stackful coroutines. The main advantage of lightweight threads lies in their reduced overhead. Unlike OS threads, the C++ Standard Library lacks a native implementation of stackful lightweight threads. They are instead provided by several third-party libraries which differ in scheduling policies, memory management approaches, and interfaces. Moreover, reusing existing code is often infeasible due to the explicit marking of context-switching points required by coroutines, their absence may lead to deadlocks between lightweight threads. To narrow the research scope, this work focuses on a specific synchronization primitive — the mutex (mutual exclusion). Several lightweight threading libraries were examined, including Argobots, Boost Fibers, and Userver. Based on an analysis of their functionality, a three-phase waiting mechanism was developed that combines active spinning, context switching, and coroutine suspension and resumption techniques. The description of the mechanism includes a general approach for integrating it into existing mutex algorithms. This mechanism acts as an additional abstraction layer between lightweight threading libraries and mutex implementations, enabling a unified design. Due to the absence of existing solutions, a dedicated tool was developed for testing and performance evaluation of the modified mutexes. Using the proposed method, several well-known mutexes were adapted for the usage from lightweight threads. To test these primitives, a tool was created that allows integration with arbitrary coroutine implementations and accounts for their specific execution models. The throughput of the adapted mutexes was measured using this tool under a specialized workload scenario, reflecting the characteristics of cooperative multitasking. In future work, the aim is to develop a comprehensive library encompassing all known mutex implementations adapted for lightweight thread environments. This will enable detailed performance comparisons across coroutine libraries, scheduling algorithms, and processor architectures. It is expected that a thorough analysis of existing algorithms behavior will lead to the development of a new mutex design optimized for lightweight thread execution.

методы синхронизациимьютекслегкие потокиоценка производительностиNUMA-архитектураC++synchronization methodsmutexlightweight threadsperformance evaluationNUMA architectureC++ReferencesMoore G.E. Cramming more components onto integrated circuits // Electronics. 1965. V. 38. N 8. P. 114–117.Moore G.E. Cramming more components onto integrated circuits // Electronics. 1965. V. 38. N 8. P. 114–117.Sutter H. The free lunch is over: a fundamental turn toward concurrency in software // Dr. Dobb’s Journal. 2005. V. 30. N 3. P. 202–210.Sutter H. The free lunch is over: a fundamental turn toward concurrency in software // Dr. Dobb’s Journal. 2005. V. 30. N 3. P. 202–210.Olukotun O.A., Hammond L., Laudon J.P. Chip Multiprocessor Architecture: Techniques to Improve Throughput and Latency. Morgan & Claypool Publishers, 2007. 145 p.Olukotun O.A., Hammond L., Laudon J.P. Chip Multiprocessor Architecture: Techniques to Improve Throughput and Latency. Morgan & Claypool Publishers, 2007. 145 p.Lameter C. NUMA (Non-Uniform Memory Access): An Overview: NUMA becomes more common because memory controllers get close to execution units on microprocessors // Queue. 2013. V. 11. N 7. P. 40–51. https://doi.org/10.1145/2508834.2513149Lameter C. NUMA (Non-Uniform Memory Access): An Overview: NUMA becomes more common because memory controllers get close to execution units on microprocessors // Queue. 2013. V. 11. N 7. P. 40–51. https://doi.org/10.1145/2508834.2513149Seo S., Amer A., Balaji P., Bordage C., Bosilca G., Brooks A., et al. Argobots: a lightweight low-level threading and tasking framework // IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems. 2018. V. 29. N 3. P. 512–526. https://doi.org/10.1109/tpds.2017.2766062Seo S., Amer A., Balaji P., Bordage C., Bosilca G., Brooks A., et al. Argobots: a lightweight low-level threading and tasking framework // IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems. 2018. V. 29. N 3. P. 512–526. https://doi.org/10.1109/tpds.2017.2766062Castello A., Gual R.M., Seo S., Balaji P., Quintana-Orti E.S., Pena A.J. Analysis of threading libraries for high performance computing // IEEE Transactions on Computers. 2020. V. 69. N 9. P. 1279–1292. https://doi.org/10.1109/tc.2020.2970706Castello A., Gual R.M., Seo S., Balaji P., Quintana-Orti E.S., Pena A.J. Analysis of threading libraries for high performance computing // IEEE Transactions on Computers. 2020. V. 69. N 9. P. 1279–1292. https://doi.org/10.1109/tc.2020.2970706Tanenbaum A.S., Bos H. Modern Operating Systems. ‎ Pearson, 2014. 1136 p.Tanenbaum A.S., Bos H. Modern Operating Systems. ‎ Pearson, 2014. 1136 p.Rudolph L., Segall Z. Dynamic decentralized cache schemes for mimd parallel processors // ACM SIGARCH Computer Architecture News. 1984. V. 12. N 3 . P. 340–347. https://doi.org/10.1145/773453.808203Rudolph L., Segall Z. Dynamic decentralized cache schemes for mimd parallel processors // ACM SIGARCH Computer Architecture News. 1984. V. 12. N 3 . P. 340–347. https://doi.org/10.1145/773453.808203Mellor-Crummey J.M., Scott M.L. Algorithms for scalable synchronization on shared-memory multiprocessors // ACM Transactions on Computer Systems. 1991. V. 9. N 1. P. 21–65. https://doi.org/10.1145/103727.103729Mellor-Crummey J.M., Scott M.L. Algorithms for scalable synchronization on shared-memory multiprocessors // ACM Transactions on Computer Systems. 1991. V. 9. N 1. P. 21–65. https://doi.org/10.1145/103727.103729Craig T.S. Building FIFO and Priorityqueuing Spin Locks from Atomic Swap. Technical Report TR 93-02-02. Department of Computer Science, University of Washington, 1993. 29 p.Craig T.S. Building FIFO and Priorityqueuing Spin Locks from Atomic Swap. Technical Report TR 93-02-02. Department of Computer Science, University of Washington, 1993. 29 p.Chabbi M., Fagan M., Mellor-Crummey J. High performance locks for multi-level NUMA systems // ACM SIGPLAN Notices. 2015. V. 50. N 8. P. 215–226. https://doi.org/10.1145/2858788.2688503Chabbi M., Fagan M., Mellor-Crummey J. High performance locks for multi-level NUMA systems // ACM SIGPLAN Notices. 2015. V. 50. N 8. P. 215–226. https://doi.org/10.1145/2858788.2688503Dice D., Kogan A. Compact NUMA-aware locks // Proc. of the 14th EuroSys Conference. 2019. P. 1–15. https://doi.org/10.1145/3302424.3303984Dice D., Kogan A. Compact NUMA-aware locks // Proc. of the 14th EuroSys Conference. 2019. P. 1–15. https://doi.org/10.1145/3302424.3303984Shanley T. x86 Instruction Set Architecture. MindShare Press, 2010. 1568 p.Shanley T. x86 Instruction Set Architecture. MindShare Press, 2010. 1568 p.Oberhauser J., Oberhauser L., Paolillo A., Behrens D., Fu M., Vafeiadis V. Verifying and optimizing the HMCS lock for Arm servers // Lecture Notes in Computer Science. 2021. V. 12754. P. 240–260. https://doi.org/10.1007/978-3-030-91014-3_17Oberhauser J., Oberhauser L., Paolillo A., Behrens D., Fu M., Vafeiadis V. Verifying and optimizing the HMCS lock for Arm servers // Lecture Notes in Computer Science. 2021. V. 12754. P. 240–260. https://doi.org/10.1007/978-3-030-91014-3_17Goodacre J., Sloss A.N. Parallelism and the ARM instruction set architecture // Computer. 2005. V. 38. N 7. P. 42–50. https://doi.org/10.1109/mc.2005.239Goodacre J., Sloss A.N. Parallelism and the ARM instruction set architecture // Computer. 2005. V. 38. N 7. P. 42–50. https://doi.org/10.1109/mc.2005.239Bartel J. Non-preemptive multitasking // The Computer Journal. 1988. V. 30. P. 37–39.Bartel J. Non-preemptive multitasking // The Computer Journal. 1988. V. 30. P. 37–39.Karsten M., Barghi S. User-level threading: Have your cake and eat it too // Proc. of the ACM on Measurement and Analysis of Computing Systems. 2020. V. 4. N 1. P. 1–30. https://doi.org/10.1145/3379483Karsten M., Barghi S. User-level threading: Have your cake and eat it too // Proc. of the ACM on Measurement and Analysis of Computing Systems. 2020. V. 4. N 1. P. 1–30. https://doi.org/10.1145/3379483Madsen O.L. Using coroutines for multi-core preemptive scheduling // Proc. of the 11th Workshop on Programming Languages and Operating Systems. 2021. P. 46–52. https://doi.org/10.1145/3477113.3487271Madsen O.L. Using coroutines for multi-core preemptive scheduling // Proc. of the 11th Workshop on Programming Languages and Operating Systems. 2021. P. 46–52. https://doi.org/10.1145/3477113.3487271Shiina S., Iwasaki S., Taura K., Balaji P. Lightweight preemptive user-level threads // Proc. of the 26th ACM SIGPLAN Symposium on Principles and Practice of Parallel Programming. 2021. P. 374–388. https://doi.org/10.1145/3437801.3441610Shiina S., Iwasaki S., Taura K., Balaji P. Lightweight preemptive user-level threads // Proc. of the 26th ACM SIGPLAN Symposium on Principles and Practice of Parallel Programming. 2021. P. 374–388. https://doi.org/10.1145/3437801.3441610Donovan A.A., Kernighan B.W. The Go Programming Language. Addison-Wesley Professional, 2015. 400 p.Donovan A.A., Kernighan B.W. The Go Programming Language. Addison-Wesley Professional, 2015. 400 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.