multithreading - 为什么我使用 openMP atomic 的并行代码比串行代码花费更长的时间？

Question

我的序列代码片段如下所示。

 Program main
  use omp_lib
  Implicit None
   
  Integer :: i, my_id
  Real(8) :: t0, t1, t2, t3, a = 0.0d0

  !$ t0 = omp_get_wtime()
  Call CPU_time(t2)
  ! ------------------------------------------ !

    Do i = 1, 100000000
      a = a + Real(i)
    End Do

  ! ------------------------------------------ !
  Call CPU_time(t3)
  !$ t1 = omp_get_wtime()
  ! ------------------------------------------ !

  Write (*,*) "a = ", a
  Write (*,*) "The wall time is ", t1-t0, "s"
  Write (*,*) "The CPU time is ", t3-t2, "s"
End Program main

耗时:

通过使用 omp 指令 do和 atomic ，我将串行代码转换为并行代码。但是，并行程序比串行程序慢。我不明白为什么会这样。接下来是我的并行代码片段:

Program main
  use omp_lib
  Implicit None
    
  Integer, Parameter :: n_threads = 8
  Integer :: i, my_id
  Real(8) :: t0, t1, t2, t3, a = 0.0d0
 
  !$ t0 = omp_get_wtime()
  Call CPU_time(t2)
  ! ------------------------------------------ !

  !$OMP Parallel Num_threads(n_threads) shared(a)
  
   !$OMP Do 
     Do i = 1, 100000000
       !$OMP Atomic
       a = a + Real(i)
     End Do
   !$OMP End Do
  
  !$OMP End Parallel
  
  ! ------------------------------------------ !
  Call CPU_time(t3)
  !$ t1 = omp_get_wtime()
  ! ------------------------------------------ !

  Write (*,*) "a = ", a
  Write (*,*) "The wall time is ", t1-t0, "s"
  Write (*,*) "The CPU time is ", t3-t2, "s"
End Program main

耗时:
所以 我的问题 为什么我使用 openMP atomic 的并行代码比串行代码花费更长的时间？

Answer 1

您在每次循环迭代中对同一变量应用 atomic 操作。此外，该变量在这些循环迭代之间具有相互依赖性。自然，与顺序版本相比，这会带来额外的开销(例如，同步、序列化成本和 CPU 周期)。此外，由于线程使其缓存无效，您可能会遇到很多缓存未命中。
此代码是应该使用变量 reduction 的 a 的典型代码(即 !$omp parallel do reduction(+:a)) 而不是原子操作。通过归约操作，每个线程将拥有变量 'a' 的私有(private)副本，并且在 parallel region 的末尾，线程会将变量 'a'(使用 '+' 运算符)的副本减少为单个值，该值将传播到主线程的变量 'a'。
您可以在 SO thread 上找到有关原子与减少之间差异的更详细答案。在那个线程中，甚至还有一个代码，它(就像你的一样)它的 atomic 版本比它的顺序对应版本慢几个数量级(即慢 20 倍)。在这种情况下，它甚至比你的更糟糕(即 20 倍对 10 倍)。