c++ - 为什么在这种无竞争的情况下原子比锁慢得多？

Question

我使用原子而不是锁写了一些东西，并且对我的情况慢得多感到困惑，我写了以下迷你测试:

#include <pthread.h>
#include <vector>

struct test
{
    test(size_t size) : index_(0), size_(size), vec2_(size)
        {
            vec_.reserve(size_);
            pthread_mutexattr_init(&attrs_);
            pthread_mutexattr_setpshared(&attrs_, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);
            pthread_mutexattr_settype(&attrs_, PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP);

            pthread_mutex_init(&lock_, &attrs_);
        }

    void lockedPush(int i);
    void atomicPush(int* i);

    size_t              index_;
    size_t              size_;
    std::vector<int>    vec_;
    std::vector<int>    vec2_;
    pthread_mutexattr_t attrs_;
    pthread_mutex_t     lock_;
};

void test::lockedPush(int i)
{
    pthread_mutex_lock(&lock_);
    vec_.push_back(i);
    pthread_mutex_unlock(&lock_);
}

void test::atomicPush(int* i)
{
    int ii       = (int) (i - &vec2_.front());
    size_t index = __sync_fetch_and_add(&index_, 1);
    vec2_[index & (size_ - 1)] = ii;
}

int main(int argc, char** argv)
{
    const size_t N = 1048576;
    test t(N);

//     for (int i = 0; i < N; ++i)
//         t.lockedPush(i);

    for (int i = 0; i < N; ++i)
        t.atomicPush(&i);
}

如果我取消注释 atomicPush 操作并使用 time(1) 运行测试，我会得到如下输出:

real    0m0.027s
user    0m0.022s
sys     0m0.005s

如果我运行调用原子事物的循环(看似不必要的操作就在那里，因为我希望我的函数看起来尽可能像我更大的代码所做的那样)我得到这样的输出:

real    0m0.046s
user    0m0.043s
sys     0m0.003s

我不确定为什么会发生这种情况，因为我预计在这种情况下原子会比锁更快......

当我使用 -O3 编译时，我看到锁和原子更新如下:

lock:
    real    0m0.024s
    user    0m0.022s
    sys     0m0.001s

atomic:    
    real    0m0.013s
    user    0m0.011s
    sys     0m0.002s

尽管如此，在我较大的应用程序中，锁的性能(单线程测试)仍然做得更好..

Answer 1

无竞争的互斥量可以非常快速地锁定和解锁。对于原子变量，您总是付出一定的内存同步代价(特别是因为您甚至没有使用松散排序)。

您的测试用例太天真了，没有用处。您必须测试竞争激烈的数据访问场景。

一般来说，原子 很慢(它们阻碍了巧妙的内部重新排序、流水线和缓存)，但它们允许无锁代码，确保整个程序可以使 一些进步。相比之下，如果您在持有锁时被换出，每个人都必须等待。