yebangyu部落格詭異的程式效能問題

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本文所使用的環境是ubuntu 14.04 32bit系統，intel i5處理器，x86體系結構

如果我說下面的程式存在效能問題，您信嗎？

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#includeint32_t global[2]=;
void f()
}void g()
}int main()

這個程式，在我的電腦上，執行時間為：

real 0m0.822s user 0m1.596s

sys 0m0.000s

有人說，兩個執行緒分別操作不同的計數器，這麼完美的程式，會有效能問題？

答案是：有。

恩，原因在於大名鼎鼎的false sharing。如果您看過我以前寫的這篇部落格，應該還記得:現在的計算機一般由乙個記憶體、乙個cpu組成，而包含多個cpu cores和cache。如這幅圖所示：

cacheline是cache塊單位，乙個cacheline大小一般在32到256位元組左右。cacheline是這張圖中不同模組的資料互動元素。

在上面程式中，global是兩個4位元組變數構成的陣列，大小為8位元組，很可能被放到同乙個cacheline裡。當執行在cpu1 core上的執行緒thread1修改了global[0]時，會讓執行在cpu2 core上對應global[0]和global[1]的cacheline失效，因此執行在cpu2 core上的執行緒thread2修改global[1]時會發生cache miss。在它修改global[1]後，就讓cpu1 core中的cacheline失效。

很明顯，這裡面由於cacheline ping pong帶來大量為了快取一致性而產生的開銷。

因此這種false sharing發生在多核、多執行緒環境中。單核或者單執行緒不會有false sharing問題。

遺憾的是，程式裡存在這樣的問題，並不容易通過肉眼發現。

幸運的是，這種問題一旦知道，就比較好解決。

解決方法一：讓這兩個計數器間隔足夠大，讓它們不要在同乙個cacheline裡，不就行了麼？

恩，定義乙個global[10000]，然後執行緒1利用global[0]，執行緒2利用global[9999]，應該就可以了。

什麼？這麼愚蠢的方法都想得出來？接著往下看。

解決方法二：假如global不是乙個陣列呢？而是包含多個變數的結構體呢(這種情形也很常見)？上面的方法就不靈了吧？

恩，上面的方法不靈了，而且上面的方法太笨。網上有很多資料告訴您怎麼定義變數讓其cacheline aligned，這也是那些部落格千篇一律的做法，不過還是值得在這裡提及。

以gcc編譯器為例：下面的做法不能保證global[0]和global[1]不在同乙個cacheline裡：

1

2

#define cacheline_size 64
int32_t global[2] __attribute__((aligned(cacheline_size)));

這樣只能保證global陣列的首元素是cacheline對齊的，不能保證global[0]和global[1]不在同乙個cacheline。

以下是正確做法：

123

456

#define cacheline_size 64
struct mycounter
__attribute__((aligned (cacheline_size)));
mycounter global[2];

還有沒有其他方法？有。接著往下看。

解決方法三：重點來了。

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#includeint32_t global[2] = ;
void f()
global[0] = counter1;
}void g()
global[1] = counter2;
}int main()

counter1和counter2在自己的執行緒棧上，cacheline位於對應的cpu core裡，大家相安無事。只有執行第9行和第17行時代價可能高點。

這個程式，在我的電腦上執行時間為：

real 0m0.293s user 0m0.580s

sys 0m0.000s

解決方法四：

global神馬變數？全域性變數。counter1/counter2神馬變數？區域性變數。

有沒有一種東東，既有全域性的性質，又有區域性的效果（執行緒私有）呢？

恩，如果您看過我以前寫的這篇部落格，就不會對__thread感到陌生。對！提供強大scalability的利器，就是它了！

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22

#include__thread int counter = 0;
void f()
}void g()
}int main()

這個程式在我的電腦上的執行時間為：

real 0m0.325s user 0m0.644s

sys 0m0.000s

不過其他執行緒如何讀取到每個計數執行緒的counter呢？不難，但是也不是那麼簡單，背後涉及到很多問題（其實本文最大的目的是通過false sharing，揭示partition這種併發程式設計裡最大的設計原則）。我們下次專門聊。

1，編譯以上多執行緒程式的時候，請使用：

g++ -pthread -std=c++11 ***.cpp

terminate called after throwing an instance of 『std::system_error』

what(): enable multithreading to use std::thread: operation not permitted

aborted (core dumped)

2，程式計時我用的是time ./a.out的方式。

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