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C++ 互斥锁和条件变量的性能比较
蓝月亮
发布于 2020-9-3 11:01
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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
#include <iostream> // std::cout
#include <deque> // std::deque
#include <thread> // std::thread
#include <chrono> // std::chrono
#include <mutex> // std::mutex
// 全局队列
std::deque<int> g_deque;
// 全局锁
std::mutex g_mutex;
// 生产者运行标记
bool producer_is_running = true;
// 生产者线程函数
void Producer()
{
// 库存个数
int count = 8;
do
{
// 智能锁，初始化后即加锁，保护的范围是代码花括号内，花括号退出即会自动解锁
// 可以手动解锁，从而控制互斥锁的细粒度
std::unique_lock<std::mutex> locker( g_mutex );
// 入队一个数据
g_deque.push_front( count );
// 提前解锁，缩小互斥锁的细粒度，只针对共享的队列数据进行同步保护
locker.unlock();
std::cout << "生产者 ：我现在库存有 :" << count << std::endl;
// 放慢生产者生产速度，睡1秒
std::this_thread::sleep_for( std::chrono::seconds( 1 ) );
// 库存自减少
count--;
} while( count > 0 );
// 标记生产者打样了
producer_is_running = false;
std::cout << "生产者 ： 我的库存没有了，我要打样了！" << std::endl;
}
// 消费者线程函数
void Consumer(int id)
{
int data = 0;
do
{
std::unique_lock<std::mutex> locker( g_mutex );
if( !g_deque.empty() )
{
data = g_deque.back();
g_deque.pop_back();
locker.unlock();
std::cout << "消费者[" << id << "] : 我抢到货的编号是 :" << data << std::endl;
}
else
{
locker.unlock();
}
} while( producer_is_running );
std::cout << "消费者[" << id << "] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！" << std::endl;
}
int main(void)
{
std::cout << "1 producer start ..." << std::endl;
std::thread producer( Producer );
std::cout << "5 consumer start ..." << std::endl;
std::thread consumer[ 5 ];
for(int i = 0; i < 5; i++)
{
consumer[i] = std::thread(Consumer, i + 1);
}
producer.join();
for(int i = 0; i < 5; i++)
{
consumer[i].join();
}
std::cout << "All threads joined." << std::endl;
return 0;
}
互斥锁实现运行结果：
结果输出
[root@lincoding condition]# g++ -std=c++0x -pthread -D_GLIBCXX_USE_NANOSLEEP main.cpp -o main
[root@lincoding condition]# ./main
1 producer start ...
5 consumer start ...
生产者 ：我现在库存有 :8
消费者[1] : 我抢到货的编号是 :8
消费者[1] : 我抢到货的编号是 :7
生产者 ：我现在库存有 :7
生产者 ：我现在库存有 :6
消费者[3] : 我抢到货的编号是 :6
生产者 ：我现在库存有 :5
消费者[1] : 我抢到货的编号是 :5
生产者 ：我现在库存有 :4
消费者[2] : 我抢到货的编号是 :4
生产者 ：我现在库存有 :3
消费者[5] : 我抢到货的编号是 :3
生产者 ：我现在库存有 :2
消费者[2] : 我抢到货的编号是 :2
生产者 ：我现在库存有 :1
消费者[1] : 我抢到货的编号是 :1
生产者 ： 我的库存没有了，我要打样了！消费者[
5] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[2] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[3] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[4] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[1] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
All threads joined.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
[root@lincoding ~]# grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l
4top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
[root@lincoding ~]# top
top - 19:13:41 up 36 min, 3 users, load average: 0.06, 0.05, 0.01
Tasks: 179 total, 1 running, 178 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
Cpu(s): 18.2%us, 54.5%sy, 0.0%ni, 27.3%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st
Mem: 1004412k total, 313492k used, 690920k free, 41424k buffers
Swap: 2031608k total, 0k used, 2031608k free, 79968k cached
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
35346 root 20 0 137m 3288 1024 S 357.5 0.3 0:05.92 main
1 root 20 0 19232 1492 1224 S 0.0 0.1 0:02.16 init
2 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.01 kthreadd
3 root RT 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.68 migration/0 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。
// 消费者线程函数
void Consumer(int id)
{
int data = 0;
do
{
std::unique_lock<std::mutex> locker( g_mutex );
if( !g_deque.empty() )
{
data = g_deque.back();
g_deque.pop_back();
locker.unlock();
std::cout << "消费者[" << id << "] : 我抢到货的编号是 :" << data << std::endl;
}
else
{
locker.unlock();
// 当消费者没取到数据时，就休息一下500毫秒
std::this_thread::sleep_for( std::chrono::milliseconds( 500 ) );
}
} while( producer_is_running );
std::cout << "消费者[" << id << "] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！" << std::endl;
}从运行结果可知，cpu使用率大大降低了
[root@lincoding ~]# ps aux | grep -v grep |grep main
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
root 61296 0.0 0.1 141068 1244 pts/1 Sl+ 19:40 0:00 ./main
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。
#include <iostream> // std::cout
#include <deque> // std::deque
#include <thread> // std::thread
#include <chrono> // std::chrono
#include <mutex> // std::mutex
#include <condition_variable> // std::condition_variable
// 全局队列
std::deque<int> g_deque;
// 全局锁
std::mutex g_mutex;
// 全局条件变量
std::condition_variable g_cond;
// 生产者运行标记
bool producer_is_running = true;
// 生产者线程函数
void Producer()
{
// 库存个数
int count = 8;
do
{
// 智能锁，初始化后即加锁，保护的范围是代码花括号内，花括号退出即会自动解锁
// 可以手动解锁，从而控制互斥锁的细粒度
std::unique_lock<std::mutex> locker( g_mutex );
// 入队一个数据
g_deque.push_front( count );
// 提前解锁，缩小互斥锁的细粒度，只针对共享的队列数据进行同步保护
locker.unlock();
std::cout << "生产者 ：我现在库存有 :" << count << std::endl;
// 唤醒一个线程
g_cond.notify_one();
// 睡1秒
std::this_thread::sleep_for( std::chrono::seconds( 1 ) );
// 库存自减少
count--;
} while( count > 0 );
// 标记生产者打样了
producer_is_running = false;
// 唤醒所有消费线程
g_cond.notify_all();
std::cout << "生产者 ： 我的库存没有了，我要打样了！" << std::endl;
}
// 消费者线程函数
void Consumer(int id)
{
// 购买的货品编号
int data = 0;
do
{
// 智能锁，初始化后即加锁，保护的范围是代码花括号内，花括号退出即会自动解锁
// 可以手动解锁，从而控制互斥锁的细粒度
std::unique_lock<std::mutex> locker( g_mutex );
// wait()函数会先调用互斥锁的unlock()函数，然后再将自己睡眠，在被唤醒后，又会继续持有锁，保护后面的队列操作
// 必须使用unique_lock，不能使用lock_guard，因为lock_guard没有lock和unlock接口，而unique_lock则都提供了
g_cond.wait(locker);
// 队列不为空
if( !g_deque.empty() )
{
// 取出队列里最后一个数据
data = g_deque.back();
// 删除队列里最后一个数据
g_deque.pop_back();
// 提前解锁，缩小互斥锁的细粒度，只针对共享的队列数据进行同步保护
locker.unlock();
std::cout << "消费者[" << id << "] : 我抢到货的编号是 :" << data << std::endl;
}
// 队列为空
else
{
locker.unlock();
}
} while( producer_is_running );
std::cout << "消费者[" << id << "] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！" << std::endl;
}
int main(void)
{
std::cout << "1 producer start ..." << std::endl;
std::thread producer( Producer );
std::cout << "5 consumer start ..." << std::endl;
std::thread consumer[ 5 ];
for(int i = 0; i < 5; i++)
{
consumer[i] = std::thread(Consumer, i + 1);
}
producer.join();
for(int i = 0; i < 5; i++)
{
consumer[i].join();
}
std::cout << "All threads joined." << std::endl;
return 0;
}
条件变量+互斥锁运行结果
[root@lincoding condition]# g++ -std=c++0x -pthread -D_GLIBCXX_USE_NANOSLEEP main.cpp -o main
[root@lincoding condition]#
[root@lincoding condition]# ./main
1 producer start ...
5 consumer start ...
生产者 ：我现在库存有 :8
消费者[4] : 我抢到货的编号是 :8
生产者 ：我现在库存有 :7
消费者[2] : 我抢到货的编号是 :7
生产者 ：我现在库存有 :6
消费者[3] : 我抢到货的编号是 :6
生产者 ：我现在库存有 :5
消费者[5] : 我抢到货的编号是 :5
生产者 ：我现在库存有 :4
消费者[1] : 我抢到货的编号是 :4
生产者 ：我现在库存有 :3
消费者[4] : 我抢到货的编号是 :3
生产者 ：我现在库存有 :2
消费者[2] : 我抢到货的编号是 :2
生产者 ：我现在库存有 :1
消费者[3] : 我抢到货的编号是 :1
生产者 ： 我的库存没有了，我要打样了！
消费者[5] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[1] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[4] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[2] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[3] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
All threads joined.
CPU开销非常的小
[root@lincoding ~]# ps aux | grep -v grep |grep main
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
root 73838 0.0 0.1 141068 1256 pts/1 Sl+ 19:54 0:00 ./main
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。
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