Введение

"Кашу маслом не испортишь", "нельзя быть слишком счастливым" – эти выражения давно и прочно вошли в наш обиход. В случае компьютеров эти высказывания можно перефразировать как "слишком много ядер не бывает". Компании Intel и AMD также считают, что будущее за параллельными вычислениями и продолжают наращивать количество ядер в процессорах.

Появление мультиядерных процессоров стимулировало и эволюцию Windows: XP и Vista сегодня являются одними из лидеров в своем сегменте рынка, а недавно вышедшая ОС Windows 7 хотя и доступна пока лишь в бета-версии, но и она с каждым днем набирает все большую популярность. Все они поддерживают симметричную мультипроцессорную обработку (Symmetrical Multiprocessing, SMP), унаследованную от Windows NT.

Однако, как показала практика, параллельная обработка отдельными процессорами и распараллеливание потоков по ядрам одного процессора совсем не одно и то же. Поэтому программные продукты нового поколения включают в себя добавочные процедуры оптимизации, позволяющие по максимуму использовать возможности мультиядерных процессоров. Такими возможностями обладает Windows Vista, появившаяся на заре перехода к мультиядерным процессорам и, конечно же, Windows 7, но не Windows XP. В связи с этим возникает вопрос: как использование дополнительных ядер влияет на производительность операционных систем? Другими словами, что мы выигрываем или теряем, переходя с Windows XP на одну из более свежих версий?

С результатами тестов трех 64-битных версий операционной системы Windows - XP, Vista и Windows 7  мы и хотим вас сегодня познакомить. 

Как проводилось тестирование

Симуляция загрузки процессора проводилась при помощи объектов ADO Stress, MAPI Stress и WMP Stress тестового пакета DMS Clarity Studio, позволяющего легко сконфигурировать и запустить разные варианты загрузки. При этом измерялось время полного завершения каждого обращения к базе данных ADO и цикла потоковой транзакции MAPI. Windows Media Player в данном случае просто осуществлял дополнительную загрузку системы.

В ходе теста объект ADO Stress (ActiveX Data Objects) обращался к локально установленному SQL Server 2008 Developer Edition. При запуске пакета создавалось еще 9 копий процесса с задержкой в 1 секунду.

MAPI Stress (Messaging API) – объект потоковой нагрузки, использующий библиотеки CDO (Collaboration Data Objects) и работающий с любыми доступными банками сообщений MAPI/CDO. В данном случае он работал с локальной копией файла Microsoft Outlook Mailbox (PST). MAPI Stress был сконфигурирован таким образом, чтобы за каждую транзакцию сгенерировать максимально возможное количество сообщений email (примерно по 25 МБ каждое).  При запуске тестового пакета этот процесс также "саморазмножался" до 10 копий с интервалом задержки в 1 секунду. 

WMP Stress - объект, использующий интерфейс  Windows Media Player для воспроизведения любого музыкального контента. Для теста был выбран медиафайл welcome2.asf из более ранней версии Windows Media Services. И опять же запускалось 10 одновременных процессов с циклом задержки в одну секунду.

Таким образом, в общей сложности тестировщики получали 30 одновременных процессов,  создающих 430 одновременных потоков. Сценарий был воспроизведен на всех трех версиях ОС Windows, установленных на компьютерах с 2-ядерным и 4-ядерным процессорами соответственно:

• Dell OptiPlex 745, Core 2 Duo E6700, 4 GB RAM,10K RPM SATA;
• HP EliteBook 8730w, Core 2 Extreme Q9300, 8GB RAM, 7200 RPM SATA.

Результаты тестирования Windows XP SP2

Проверенная временем стабильная и надежная операционная система, которая просто "летает" на современном "железе". В ходе тестирования выяснилось, что на 2-ядерном процессоре производительность Windows XP при работе с базами данных и потоками почти в два раза выше, чем у более поздних версий операционной системы. При работе с модулем MAPI на 4-ядерном процессоре XP обошла в быстродействии Vista на 66%.

Рис.1. Сравнение производительности Windows XP, Vista и Windows 7 при использовании модулей ADO и MAPI на 2-ядерном процессоре (верхняя часть таблицы), 4-ядерном процессоре (средняя часть таблицы), а также масштабируемости систем (нижняя часть таблицы).

Рис. 2. Среднее время транзакций ADO (в секундах).

Рис.3. Среднее время транзакций MAPI (в секундах)

Рис.4. Увеличение производительности (%) платформ при переходе от 2-ядерных к 4-ядерным процессорам.

Однако, когда дело доходит до масштабируемости (т.е. способности наращивать производительность по мере роста нагрузки на систему), то у XP - операционной системы 8-летней давности – начинает сказываться возраст.  Из рис.1 и 4 видно, что увеличение производительности XP при работе с ADO (базы данных) и MAPI (потоки) при переходе от 2- к 4-ядерным процессорам составляет 265% и 32% соответственно. Тогда как у Windows 7 производительность ADO увеличивается на 571%, а у Vista производительность работы с MAPI – на 58%.

Дело в том, что старое ядро Windows XP никогда не оптимизировалось для параллельных вычислений. В то время как Windows Vista и Windows 7 год за годом дорабатывались и настраивались для наиболее эффективного использования дополнительных ядер. Тем не менее, это ничуть не ограничивает удобство использования XP на современных 2- или 4-ядерных процессорах, и даже на 8-ядерных процессорах будущего XP не должна вызывать нареканий. Однако, начиная с некоторого количества ядер Windows Vista и Windows 7 сократят разрыв в производительности с XP, а затем и вовсе превзойдут эту версию операционной системы.

Windows Vista SP1

Windows Vista проводит пользователей через весь спектр чувств: от любви до ненависти. Но именно ей суждено было стать важной поворотной точкой в развитии Windows – горькой пилюлей, которую нужно было проглотить, чтобы двигаться в дальнейшем направлении.  

Но что это была за пилюля! Vista разворачивала столь масштабную деятельность по поглощению ресурсов памяти и процессора, что пользователи XP, на которых, собственно, и рассчитывали производители, временами приходили в бешенство. В общем, первое впечатление от системы было ужасным.

К счастью для Microsoft, увеличение мощности процессоров (в том числе переход к мультиядерным процессорам) в сочетании с удешевлением памяти и накопителей помогло несколько компенсировать эти "неудобства".  Сегодня многие пользователи считают Vista вполне пригодной операционной системой – по крайней мере те, у которых под рукой компьютеры с 2- или 4-ядерными процессорами.    

При тестировании работы с базой данных на 2-ядерном процессоре Vista проиграла в производительности XP целых 92%, но на 4-ядерном процессоре этот разрыв сократился до 19%. Похожие результаты были получены и для модуля MAPI: 98% проигрыш в производительности XP на двух ядрах, и сокращение разрыва до 66% на 4-ядерном процессоре.

Полученные результаты – проигрыш в производительности XP как на двух, так и на четырех ядрах и значительное увеличение производительности при переходе от 2-ядерного к 4-ядерному процессору позволяет предположить, что Vista окончательно победит в производительности XP при числе ядер примерно от 32 до 64.  

Сегодня же при одинаковой загрузке процессора, для завершения каждой транзакции ADO на 2-ядерном процессоре Windows Vista требует на 40% больше циклов CPU, чем Windows XP, а на 4-ядерном - на 44% больше (см. рис. 5). При работе с MAPI Vista потребовалось на 30% больше циклов CPU на 2-ядерном процессоре и на 27% больше на 4-ядерном, чем XP.

Рис. 5. Количество циклов CPU, необходимых для завершения одной транзакции на 2-ядерном процессоре (вверху) и 4-ядерном процессоре (внизу).

Рис.6. Количество циклов CPU, необходимых для завершения одной транзакции ADO.

Рис.7. Количество циклов CPU, необходимых для завершения одной транзакции MAPI.

Различие в количестве исполняемых циклов можно объяснить несколькими факторами: изменения кодов MDAC или MAPI; увеличение и усложнение цепочки кодов в ядре ОС, влияние внешних фоновых процессов… Но результат один: при каждой транзакции центральный процессор должен обработать большее количество кода, что и приводит к снижению быстродействия.

Windows 7 beta

Windows 7 с каждым днем набирает все большую популярность. В ней решены большинство проблем Vista. Для отчаявшихся IT-руководителей это альтернативное решение проблемы XP-vs-Vista. Ну а для "ветеранов" Windows, "семерка" - это всего лишь Windows Vista с более высокой производительностью и обновленной оболочкой Explorer. Промежуточный апдейт, который может качнуть, а может и не качнуть маятник общественного восприятия в сторону усиления популярности Microsoft.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что Windows 7 во многом напоминает своего предшественника. И в ходе этого тестирования результаты Windows 7 часто если не совпадали, то были близки к результатам Vista практически во всех сценариях. Работа с ADO? На 118% медленнее XP на 2-ядерном процессоре (Vista на 92% медленнее) и на 19% медленнее XP на 4-ядерном процессоре (Vista показала аналогичный результат). Поточная обработка заданий (MAPI)? На 38% медленнее XP на двух ядрах (по сравнению с 98% проигрышем Vista это уже что-то) и на 59% медленнее на четырех ядрах (Vista была на 66% медленнее XP).

Увеличение производительности при переходе от 2-ядерного к 4-ядерному процессору у Windows 7 близко к Vista:  571% при использовании модуля ADO (у Vista - 492%), при использовании модуля MAPI производительность улучшилась не столь существенно – всего на 15%, по сравнению с 58% у Vista. Но этот результат, скорее, связан с особенностями масштабируемости MAPI, чем с реальной ограниченностью Windows 7.

Таким образом, Windows 7 и Vista – операционные системы одного вида, в отличие от Windows XP. Подобно Vista, новый Windows 7 также затрачивает на одну транзакцию заметно большее количество циклов CPU: на 39 - 68% больше на 2-ядерном и на 19 - 51% больше на 4-ядерном процессорах.

По прогнозам Windows 7 сможет догнать и перегнать XP значительно раньше, чем Windows Vista – возможно уже на 16- или 24-ядерных процессорах. А пока вы абсолютно ничего не теряете, сменив Vista на Windows 7: быть может даже немного выиграете в производительности, благодаря более тонкой настройке ядра новой операционной системы.  

Заключение

Сегодня Microsoft заявляет, что ядро Vista полностью оптимизировано для параллельных вычислений. А истинные "гуру" компании с гордостью демонстрируют механизмы мультипроцессорной обработки обновленного ядра Windows 7. Однако, как отмечает инсайдер Microsoft Марк Руссинович, "преимущества этих изменений нельзя полностью прочувствовать, пока количество ядер не шагнет далеко за пределы сегодняшних 2-ядерных и 4-ядерных процессоров".

Тесты подтвердили это, при этом возможно Руссинович недооценивает преимущества мультиядерности: оптимизация ядра Vista и его обновленной версии Windows 7 начинает ощущаться уже на 4-ядерных процессорах. Однако, одна только лучшая масштабируемость по сравнению с Windows XP пока не позволяет Vista и Windows 7 превзойти эту устоявшуюся операционную систему на современном "железе".  Напомним, что по прогнозам, Vista сможет превзойти в производительности XP на 32- и 64-ядерных процессорах, а Windows 7 – на 16- или 24-ядерных процессорах.