
C++ 互斥锁和条件变量的性能比较
介绍
本文以最简单生产者消费者模型,通过运行程序,观察该进程的cpu使用率,来对比使用互斥锁 和 互斥锁+条件变量的性能比较。
本例子的生产者消费者模型,1个生产者,5个消费者。
生产者线程往队列里放入数据,5个消费者线程从队列取数据,取数据前需要判断一下队列中是否有数据,这个队列是全局队列,是线程间共享的数据,所以需要使用互斥锁进行保护。即生产者在往队列里放入数据时,其余消费者不能取,反之亦然。
互斥锁实现的代码
互斥锁实现运行结果:
结果输出
可以看到,互斥锁其实可以完成这个任务,但是却存在着性能问题。
- Producer是生产者线程,在生产者数据过程中,会休息1秒,所以这个生产过程是很慢的;
- Consumer是消费者线程,存在着一个while循环,只有判断到生产者不运行了,才会退出while循环,那么每次在循环体内,都是会先加锁,判断队列不空,然后从列队取出一个数据,最后解锁。所以说,在生产者休息1秒的时候,消费者线程实际上会做很多无用功,导致CPU使用率非常高!
运行的环境是4核cpu
top命令查看cpu使用情况,可见使用纯互斥锁cpu的开销是很大的,main进程的cpu使用率达到了357.5%CPU,系统开销的cpu为54.5%sy,用户开销的cpu为18.2%us
解决的办法之一就是给消费者也加一个小延时,当消费者没取到数据时,就休息一下500毫秒,这样可以减少互斥锁给cpu带来的开销。
从运行结果可知,cpu使用率大大降低了
条件变量+互斥锁实现的代码
那么问题来了,如何确定消费者延时(休息)多久呢?
- 如果生产者生产的非常快,消费者却延时了500毫秒,也不是很好
- 如果生产者生产的更慢,那么消费延时500毫秒,也会有无用功,占用了CPU
这就需要引入条件变量std::condition_variable,应用于消费者生产模型中,就是生产者生产完一个数据后,通过notify_one()唤醒正在wait()消费者线程,使得消费者从队列取出一个数据。
条件变量+互斥锁运行结果
CPU开销非常的小
总结
在不确定生产者的生产速度是快还是慢的场景里,不能只使用互斥锁保护共享的数据,这样会对CPU的性能开销非常大,可以使用互斥锁+条件变量的方式,当生产者线程生产了一个数据,就唤醒消费者线程进行消费,避免一些无用功的性能开销。
