c++ - 与锁相比，原子/互锁变量有多快，无论是否存在争用？

Question

std::atomic<T>与无争议的原子变量（例如C++）操作相比，它快/慢多少。

另外，有争议的原子变量相对于无争议的锁要慢多少？

我正在研究的架构是 x86-64。

Answer 1

我碰巧有很多低级速度测试。但是，速度的确切含义是非常不确定的，因为它在很大程度上取决于您到底在做什么（甚至与操作本身无关）。

以下是 AMD 64 位 Phenom II X6 3.2Ghz 的一些数字。我也在英特尔芯片上运行过它，而且时间确实有很大差异（同样，取决于正在做的事情）。

一个 GCC __sync_fetch_and_add，这将是一个完全隔离的原子加法，平均为 16ns，最短时间为 4ns。最短时间可能更接近事实（尽管即使在那里我也有一些开销）。

一个无争议的 pthread 互斥体（通过 boost）是 14ns（这也是它的最小值）。请注意，这也有点太低了，因为如果其他东西锁定了互斥体，但它现在不是没有争议的（因为它会导致缓存同步），时间实际上会增加。

失败的 try_lock 为 9ns。

我没有一个普通的旧原子公司，因为在 x86_64 上这只是一个正常的交换操作。可能接近最小可能时间，所以 1-2ns。

在条件变量上调用没有服务员的通知是 25ns（如果有东西在等待大约 304ns）。

然而，由于所有锁都会导致某些 CPU 排序保证，因此您已修改的内存量（无论适合存储缓冲区的内存量）将改变此类操作所需的时间。很明显，如果您曾经对互斥锁发生争用，那是您最糟糕的时刻。即使实际上没有发生线程切换，任何返回到 linux 内核的时间都可能是数百纳秒。这通常是原子锁表现不佳的地方，因为它们不涉及任何内核调用：平均情况下的性能也是最差的情况。如果有等待线程，互斥锁解锁也会产生开销，而原子则不会。

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注意：做这样的测量充满了问题，所以结果总是有问题的。我的测试试图通过固定 CPU 速度、设置线程的 cpu 亲和性、不运行其他进程以及对大型结果集进行平均来最小化变化。

Answer 2

GitHub 上有一个项目，目的是在不同平台上进行测量。不幸的是，在我的硕士论文之后，我从来没有真正有时间跟进这个，但至少基本代码在那里。

__sync_fetch_and_add与内在相比，它测量 pthread 和 OpenMP 锁。

据我所知，我们预计锁和原子操作之间会有相当大的差异（〜一个数量级），但实际差异却非常小。

然而，现在在我的系统上测量得到的结果反映了我最初的猜测，即（无论使用 pthread 还是 OpenMP）原子操作的速度大约快五倍，单个锁定增量操作大约需要 35ns（这包括获取锁） ，执行增量，并释放锁）。

Answer 3

取决于锁的实现，也取决于系统。原子变量不能以与锁相同的方式真正受到竞争（即使您使用的是获取释放语义），这就是原子性的全部意义，它锁定总线以传播存储（取决于内存屏障模式），但这是一个实现细节。

但是，大多数用户模式锁只是封装了原子操作，请参阅Intel 的这篇文章，了解有关在 x86 和 x64 下使用原子操作的高性能、可扩展锁的一些数据（CriticalSection不幸的是，与 Windows 的锁相比，没有找到SWR锁定，但应始终为自己的系统/环境配置文件）。