c - 多线程 C 程序中的共享字段是否大量使用 CPU？

Question

我正在编写一个使用一定百分比 CPU 的小程序。基本策略是我会持续检查 CPU 使用率，如果使用率高于给定值，则让进程休眠。

此外，由于我使用的是 MacOS(没有像 Linux 那样的 proc/stat，在 C# 中没有 PerformanceCounter)，我必须在另一个线程中执行 top 命令并从中获取 CPU 使用率。

问题是我的 CPU 使用率一直很高，即使我给出了一个很小的值作为参数。经过多次实验，这似乎是由多线程共享字段引起的。

这是我的代码(代码 1)和实验:

(code 2)一开始以为是shell命令导致使用率很高，所以在run()中注释掉死循环，只留下getCpuUsage()运行。但是，CPU 使用率几乎为零。

(code 3) 然后，我写了另一个独立于 cpuUsage 的 run() 函数，它打算使用 50% 的 CPU。它运作良好!我认为代码 1 和代码 3 之间的唯一区别是 cpuUsage 的用法。所以我想知道线程之间共享字段是否会大量使用 CPU？

代码 1

const char CPU_COMMAND[] = "top -stats cpu -l 1 -n 0| grep CPU\\ usage | cut -c 12-15";

int cpuUsage; // shared field that stores the cpu usage

// thread that continuously check CPU usage
// and store it in cpuUsage
void getCpuUsage() {
    char usage[3];
    FILE *out;
    while (1) {
        out = popen(CPU_COMMAND, "r");
        if (fgets(usage, 3, out) != NULL) {
            cpuUsage = atof(usage);
        } else {
            cpuUsage = 0;
        }
        pclose(out);
    }
}

// keep the CPU usage under ratio
void run(int ratio) {
    pthread_t id;
    int ret = pthread_create(&id, NULL, (void *)getCpuUsage, NULL);
    if (ret!=0) printf("thread error!");

    while (1) {
        // if current cpu usage is higher than ration, make it asleep
        if (cpuUsage > ratio) {
            usleep(10);
        }
    }

    pthread_join(id, NULL);
}

---

代码 2

// keep the CPU usage under ratio
void run(int ratio) {
    pthread_t id;
    int ret = pthread_create(&id, NULL, (void *)getCpuUsage, NULL);
    if (ret!=0) printf("thread error!");

    /*while (1) {
        // if current cpu usage is higher than ration, make it asleep
        if (cpuUsage > ratio) {
            usleep(10);
        }
    }*/

    pthread_join(id, NULL);
}

---

代码 3

void run() {
    const clock_t busyTime = 10;
    const clock_t idleTime = busyTime;

    while (1) {
        clock_t startTime = clock();
        while (clock() - startTime <= busyTime);
        usleep(idleTime);
    }
}

Answer 1

Does shared field in multithreading C program use CPU a lot?

是的，多个 CPU 上的多个线程对共享内存位置的持续读取/写入会导致缓存行在 CPU 之间不断移动(缓存反弹)。 IMO，这是在原始“并行”应用程序中可扩展性差的最重要的原因。