原子fetch_add与增加性能

Question

下面的代码展示了多线程编程的好奇心。特别是单个线程中std::memory_order_relaxed增量与常规增量的性能。我不明白为什么fetch_add(宽松(单线程比常规增量慢两倍。

static void BM_IncrementCounterLocal(benchmark::State& state) {
  volatile std::atomic_int val2;
  while (state.KeepRunning()) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
      DoNotOptimize(val2.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed));
    }
  }
}
BENCHMARK(BM_IncrementCounterLocal)->ThreadRange(1, 8);
static void BM_IncrementCounterLocalInt(benchmark::State& state) {
  volatile int val3 = 0;
  while (state.KeepRunning()) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
      DoNotOptimize(++val3);
    }
  }
}
BENCHMARK(BM_IncrementCounterLocalInt)->ThreadRange(1, 8);

输出：

      基准测试时间(纳秒( 中央处理器(纳秒(迭代次数      ----------------------------------------------------------------------      BM_IncrementCounterLocal/线程：1  59 60 11402509                                      BM_IncrementCounterLocal/线程：2 30 61 11284498                                      BM_IncrementCounterLocal/线程：4 19 62 11373100                                      BM_IncrementCounterLocal/线程：8 17 62 10491608      BM_IncrementCounterLocalInt/线程：1  31 31 22592452                                      BM_IncrementCounterLocalInt/线程：2 15 31 22170842                                      BM_IncrementCounterLocalInt/线程：4 8 31 22214640                                      BM_IncrementCounterLocalInt/线程：8 9 31 21889704 

Answer 1

对于volatile int，编译器必须确保它不会优化和/或重新排序变量的任何读/写。

对于fetch_add，CPU必须采取预防措施，使读-修改-写操作是原子的。

这是两个完全不同的要求：原子性要求意味着 CPU 必须与计算机上的其他 CPU 通信，确保它们不会在自己的读取和写入之间读取/写入给定的内存位置。如果编译器使用比较和交换指令编译fetch_add，它实际上会发出一个短循环，以捕获其他 CPU 修改了两者之间的值的情况。

对于volatile int没有必要进行此类通信。相反，volatile要求编译器不发明任何读取：volatile是为与硬件寄存器的单线程通信而设计的，其中读取值的简单行为可能会产生副作用。

Answer 2

本地版本不使用原子学。 (它使用volatile的事实是一个红鲱鱼 - volatile在多线程代码中基本上没有任何意义(。

原子

版本使用原子(！ 实际上只有一个线程将用于访问变量这一事实对 CPU 来说是不可见的，而且编译器也没有发现它并不感到惊讶。 (没有必要浪费开发人员的精力来确定将std::atomic_int转换为int是否安全，而这几乎永远不会。 如果他们不需要从多个线程访问它，没有人会写atomic_int。

因此，原子版本将难以确保增量实际上是原子的，坦率地说，我很惊讶它只慢了 2 倍 - 我本来期望更像 10 倍。