为什么在这个无可争议的情况下，原子比锁慢得多

Why are the atomics much slower than the lock in this uncontended case?

本文关键字：无可争议 情况下 为什么      更新时间：2023-10-16

我用原子而不是锁写了一些东西，并且对它在我的情况下慢得多感到困惑，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（看似不必要的操作在那里，因为我希望我的函数看起来尽可能多地与我的大代码一样），我会得到这样的输出：

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

我不确定为什么会发生这种情况，因为在这种情况下，我本来希望原子比锁快......

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

在我的较大应用程序中，尽管锁的性能（单线程测试）仍然做得更好。

无竞争的互斥锁锁定和解锁速度极快。使用原子变量，您总是要付出一定的内存同步代价（特别是因为您甚至没有使用宽松排序）。

您的测试用例太天真了，没有用处。您必须测试争用严重的数据访问方案。

通常，原子学很慢（它们妨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，从而确保整个程序可以取得一些进展。相比之下，如果你在拿锁时被换掉，每个人都必须等待。

补充一下第一个答案，当你做一个__sync_fetch_and_add时，你实际上强制执行特定的代码排序。从文档

调用此函数时会创建一个完整的内存屏障

记忆障碍是

中央处理器 （CPU） 或编译器，用于对屏障指令之前和之后发出的内存操作强制执行排序约束

即使您的工作是原子的，您也可能通过强制指令排序而丢失编译器优化。

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