c - 与 pthreads 的运行时不一致

Question

我的多线程C程序运行以下例程：

#define NUM_LOOP 500000000
long long sum = 0;
void* add_offset(void *n){
        int offset = *(int*)n;
        for(int i = 0; i<NUM_LOOP; i++) sum += offset;
        pthread_exit(NULL);
}

当然sum应该通过获取锁来更新，但在此之前，我对这个简单程序的运行时间有问题。

当主函数为(单线程(时：

int main(void){
        pthread_t tid1;
        int offset1 = 1;
        pthread_create(&tid1,NULL,add_offset,&offset1);
        pthread_join(tid1,NULL);
        printf("sum = %lldn",sum); 
        return 0;
}

输出和运行时间为：

sum = 500000000
real    0m0.686s
user    0m0.680s
sys     0m0.000s

当主函数为(多线程顺序(时：

int main(void){
        pthread_t tid1;
        int offset1 = 1;
        pthread_create(&tid1,NULL,add_offset,&offset1);
        pthread_join(tid1,NULL);
        pthread_t tid2;
        int offset2 = -1;
        pthread_create(&tid2,NULL,add_offset,&offset2);
        pthread_join(tid2,NULL);
        printf("sum = %lldn",sum);
        return 0;
}

输出和运行时间为：

sum = 0
real    0m1.362s
user    0m1.356s
sys     0m0.000s

到目前为止，程序按预期运行。但是当主要函数是(多线程并发(时：

int main(void){
        pthread_t tid1;
        int offset1 = 1;
        pthread_create(&tid1,NULL,add_offset,&offset1);
        pthread_t tid2;
        int offset2 = -1;
        pthread_create(&tid2,NULL,add_offset,&offset2);
        pthread_join(tid1,NULL);
        pthread_join(tid2,NULL);
        printf("sum = %lldn",sum);
        return 0;
}

输出和运行时间为：

sum = 166845932
real    0m2.087s
user    0m3.876s
sys     0m0.004s

由于缺乏同步而导致的sum错误值不是这里的问题，而是运行时间的问题。并发执行的实际运行时间远远超过顺序执行。这与多核 CPU 中并发执行的预期相反。

请解释这里可能出现的问题。

Answer 1

如果多个线程访问相同的共享状态(至少在 x86 上(，这种情况并不少见。它通常被称为缓存行乒乓球：

每当一个内核想要更新该变量的值时，它首先必须从另一个内核获取缓存行的"所有权"(锁定缓存行以进行写入(，这需要一些时间。然后另一个核心想要返回缓存行...

因此，即使没有同步原语，与顺序情况相比，您也会付出巨大的开销。

Answer 2

按照@spectras的建议，我对add_offset例程进行了以下更改：

#define NUM_LOOP 500000000
long long sum = 0;
void* add_offset(void *n){
        int offset = *(int*)n;
        long long sum_local = sum; //read sum
        for(int i = 0; i<NUM_LOOP; i++) sum_local += offset;
        sum = sum_local; //write to sum
        pthread_exit(NULL);
}

多线程并发执行的主要函数与上述相同，运行时现在符合预期，即：

sum = 500000000
real    0m0.683s
user    0m1.356s
sys     0m0.000s

另一个输出和运行时是：

sum = -500000000
real    0m0.686s
user    0m1.360s
sys     0m0.000s

这两个且仅这两个输出值是预期的，因为线程不同步。输出中的 sum 值反映了哪个线程(偏移量 = 1 或偏移量=-1(最后更新sum。