c++ - CPU使用率高的常见原因是什么？

Question

背景:

在我用 C++ 编写的应用程序中，我创建了 3 个线程:

• AnalysisThread(或生产者):它读取输入文件，解析它，生成模式，并将它们排入std::queue¹。
• PatternIdRequestThread(或消费者):它从队列中提取模式，并通过客户端(用 C++ 编写)将它们一一发送到数据库，客户端返回模式 uid 然后分配到相应的模式。
• ResultPersistenceThread :它只做一些事情，与数据库对话，并且就 CPU 使用率而言，它可以正常工作。

前两个线程占用 60-80% 的 CPU 使用率，每个线程平均占用 35%。

问题:

我不明白为什么有些线程占用高 CPU 使用率。

我分析如下:如果是操作系统做出像 context-switch 这样的决定, interrupt , 和 scheduling至于应该让哪个线程访问系统资源，例如 CPU 时间，那么为什么进程中的 一些 线程碰巧比其他线程使用更多的 CPU？看起来一些线程强行从操作系统中获取CPU在 Guzzle ，或者操作系统对某些线程有一个真正的软肋，所以它从一开始就偏向于它们，给他们所有的资源。为什么不能不偏不倚，一视同仁？

我知道这很幼稚。但是如果我沿着这条思路思考，我会更加困惑:操作系统根据线程要完成的工作量授予对 CPU 的访问权限，但是操作系统如何计算或预测工作量 在完全执行之前？

我想知道 CPU 使用率高的原因是什么？我们如何识别它们？是否可以仅通过查看代码来识别它们？工具是什么？

我正在使用 Visual Studio 2010。

^{1.我对 std::queue 也有疑问。我知道标准容器不是线程安全的。但是，如果正好有一个线程将项目排入队列，那么如果只有一个线程将项目从其中排入队列是否安全？我想它就像一个管道，一方面你插入数据，另一方面你删除数据，那么如果它同时完成为什么会不安全呢？但这不是本主题的真正问题，但是，您可以在答案中添加注释来解决这个问题。}

更新:

在我意识到我的消费者线程正在使用我已用 Sleep 修复的忙自旋之后3 秒。此修复是临时的，很快我将使用 Event反而。但即使是 Sleep ，CPU 使用率已下降到 30-40%，偶尔会上升到 50%，从可用性的角度来看，这似乎并不理想，因为系统不会响应用户使用的其他应用程序目前正在合作。

还有什么方法可以改善 CPU 使用率高的问题吗？如前所述，生产者线程(现在使用大部分 CPU 周期)读取文件，解析其中的数据包(某种格式)，并从中生成模式。如果我使用 sleep ，那么 CPU 使用率会降低，但这是个好主意吗？常见的解决方法有哪些？

Answer 1

就我个人而言，如果我的线程有工作要做，而且我的机器上有空闲的内核，因为操作系统没有给它们高 CPU 使用率，我会非常恼火。所以我真的不认为这里有任何问题[编辑:原来你的繁忙循环是一个问题，但原则上高 CPU 使用率没有什么问题]。

操作系统/调度程序几乎无法预测线程将执行的工作量。线程(过度简化)处于以下三种状态之一:

1. 阻塞等待某事( sleep 、互斥锁、I/O 等)
2. 可运行，但当前未运行，因为其他东西在运行
3. 正在运行。

调度程序将选择尽可能多的东西来运行它的核心(或超线程，等等)，并运行每一个，直到它阻塞或直到称为“时间片”的任意时间段到期。如果可以的话，它会安排其他的事情。

因此，如果一个线程将大部分时间用于计算而不是阻塞，并且如果有一个内核空闲，那么它将占用大量 CPU 时间。

如何调度程序根据优先级等因素选择要运行的内容有很多细节。但基本思想是，一个有很多事情要做的线程不需要被预测为计算量大，只要有事情需要调度，它总是可用的，因此往往会被调度。

对于您的示例循环，您的代码实际上并没有做任何事情，因此在判断 5-7% 的 CPU 是否有意义之前，您需要检查它是如何优化的。理想情况下，在两核机器上，处理繁重的线程应该占用 50% 的 CPU。在 4 核机器上，25%。因此，除非您至少有 16 个内核，否则您的结果乍一看是异常的(如果您有 16 个内核，那么一个线程占用 35% 将更加异常!)。在标准桌面操作系统中，大多数内核大部分时间都处于空闲状态，因此实际程序在运行时占用的 CPU 比例越高越好。

在我的机器上，当我运行主要用于解析文本的代码时，我经常会占用一个内核的 CPU 使用率。

if exactly one thread enqueue items to queue, then is it safe if exactly one thread deque items from it?

不，这对于带有标准容器的 std::queue 是不安全的。 std::queue 是序列容器(vector、deque 或 list)顶部的薄包装器，它不会增加任何线程安全性。添加项目的线程和删除项目的线程共同修改一些数据，例如底层容器的 size 字段。您需要一些同步，或者依赖于对公共(public)数据的原子访问的安全无锁队列结构。 std::queue 两者都没有。