c++ - 原子操作比锁定花费的时间更长(无争用)

Question

我正在尝试测量没有争用时各种同步选项的开销。我使用以下程序:

#include <atomic>
#include <chrono>
#include <iostream>
#include <mutex>

void function() {
    static volatile uint64_t counter = 0;
    counter++;
}

void function2() {
    std::atomic<uint64_t> counter2 = 0;
    counter2++;
}

int main() {
    // warm up the cache
    std::mutex lock;
    for( int i=0; i<1'000'000; ++i ) {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(lock);
        function();
        function2();
    }

    std::cout<<"Starting test\n";
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for( int i=0; i<1'000'000; ++i ) {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(lock);
        function();
    }
    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::cout<<"  With lock took "<<std::chrono::ceil<std::chrono::nanoseconds>(end-start).count()<<"ns\n";

    start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for( int i=0; i<1'000'000; ++i ) {
        function();
    }
    end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::cout<<"    No lock took "<<std::chrono::ceil<std::chrono::nanoseconds>(end-start).count()<<"ns\n";

    start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for( int i=0; i<1'000'000; ++i ) {
        function2();
    }
    end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::cout<<"Atomic lock took "<<std::chrono::ceil<std::chrono::nanoseconds>(end-start).count()<<"ns\n";
}

用 gcc 或 clang 编译，我得到类似的结果:

$ clang++-7 -g -O3 -std=c++2a locking.cpp -o locking && ./locking 
Starting test
  With lock took 2099204ns
    No lock took 2126724ns
Atomic lock took 12922543ns

因此，使用或不使用锁定的结果非常相似(通常不使用锁定的速度稍微更快)，但是对于原子操作，我获得了 x6 的性能损失。

从逻辑上讲，如果没有争用，相关变量将全部位于正在运行的 CPU 缓存的本地，并且所有同步选项都会或多或少地产生相同的性能。

我错过了什么？

Answer 1

问题出在基准程序上。

首先是 std::atomic 没有被声明为 static，导致每次迭代都使用一个新的。第二个问题是程序没有用-pthread编译，导致加锁的代码变成了no-op(这也解释了为什么带锁的代码运行速度和不加锁的一样)。

解决这两个问题会产生:

Starting test
  With lock took 21013047ns
    No lock took 2125868ns
Atomic lock took 6744567ns

所以原子方法比没有锁定慢大约 3 倍，而实际锁定大约慢 10 倍。