能量高效的自旋回路

Energy efficient spin loop

本文关键字：回路 高效 能量      更新时间：2023-10-16

我正在编写一个监视全局变量变化的旋转循环。这有占用整个CPU核心的副作用，这很好，因为我使用的是多核机器。

我的问题是：它能提高能源效率吗？我正在使用C++，如果需要，我可以访问x64程序集。

这是我的代码：

void monitor_changes(int*variable_to_monitor){
int last_value=*variable_to_monitor;
while(1){ //this is the spin loop - don't want the os to interrupt it, but can it be energy efficient?
int cur_value=*variable_to_monitor;
if (*variable_to_monitor!=last_value){
printf("value has changed!");
last_value=cur_value;
}
}
}

编辑：我不想使用操作系统服务，因为监控需要尽快做出反应。使用操作系统服务会带来延迟。

除非您有一个非常不寻常的用例，否则您的方法是错误的。您不应该使用旋转循环来监视全局变量的更改。相反，您应该向观察者发出全局已更改的信号。如果使用pthreads，请查看pthread_cond_signal和pthread_cond_wait。各种C++库也有这些，例如Boost有互斥对象和条件变量。一种老式的方法是使用管道，在监视器中的管道上进行选择，并在更改全局时写入一个字符。

如果你真的需要监控全局，你可以考虑在检查之间睡觉(你需要知道多久)，考虑你的操作系统是否有导致时间表发生的东西，或者考虑pause指令-请参阅：http://x86.renejeschke.de/html/file_module_x86_id_232.html

如果快速响应时间很重要，请仔细查看您的操作系统和服务可能带来的影响。在尽力而为的计算机(相对于实时)分辨率通常在10秒左右，无论字段指示什么。此外，操作系统服务需要时间来设置代码反应速度的下限。

除非你已经为专用设备编写了自己的低级别驱动程序，否则我怀疑你的分辨率是否比10秒好得多。

自旋环对能源效率从来都没有好处。在现代处理器中，存在空闲/睡眠状态(C0、C1等)，这些状态在不使用时使处理器进入睡眠状态。从这些空闲状态中唤醒的延迟是usec的数量级。这比操作系统驱动程序、库和传统编译器生成的代码引入的延迟要少几个数量级。请注意，这里的重要单词是"未使用"。这些睡眠状态不会以任何有意义的方式影响性能，因为处理器无论如何都没有做任何事情。

我已经写了一些关于这个主题的文章。看看有用的权力和权力管理文章列表、博客和参考文献中的参考文献。(令人尴尬的是，它偏向于我的材料。随着时间的推移，这种情况会改变。)

以下是我更具体的建议：

(1) 确定您需要的实际响应时间。(a) 如果是对人工输入做出响应，你不可能得到少于四分之一秒的有意义的响应时间。(b) 如果要响应机器生成的事件，您不仅需要分析事件之间的最小增量，还需要分析通信机制(如网络协议)引入的统计方差。

(2) 确定您的系统能够做什么。除非你有专门的实时设备，例如RTOS、专门的库和驱动程序，否则这很难实现。你可能需要做一些实验和数据收集。

(3) 弄清楚你真正想要什么设备来达到你需要的响应时间。

现在让我们来谈谈现实。既然你问了这个问题，我猜你不是在使用需要专业且昂贵的操作系统、库等的实时设备。我怀疑你使用的是传统的多核计算机，使用的是标准操作系统(Linux、Windows、OSX、Android等)、标准库和通用编译器(如gcc)。我怀疑你是否能下定决心<10秒，我怀疑你最多需要100秒左右的响应时间，如果你依赖人工输入，甚至更高。

不要使用旋转循环。从能源效率的角度来看，这是最糟糕的事情，因为它可以防止处理器进入空闲状态。非空闲处理器功率可以大于30瓦。空闲功率可以<5W，延迟<100usec。如果您使用旋转回路，您的功耗将>30瓦。如果您允许使用空闲状态，则您的总体功耗可能<10瓦，没有显著的性能影响。

每隔50到100秒醒来一次，检查变量是否有变化，然后再入睡。

问候

Taylor

PS你问了一个很好的问题。这个领域对这个话题有很多误解。我不能提及那些犯了同样错误的知名应用程序。

除了暂停指令之外的另一个选项是MONITOR/MWAIT。对于你想要的东西来说，它可能延迟太高了，但无论如何都要读一读：

http://semipublic.comp-arch.net/wiki/Monitor-Mwait

http://software.intel.com/en-us/articles/how-to-use-the-monitor-and-mwait-streaming-simd-extensions-3-instructions

https://blogs.oracle.com/dave/resource/mwait-blog-final.txt

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