在Linux上,GCC/pthread并行代码比简单的单线程代码慢得多

Question

我正在使用gcc(GCC)4.8.3 20140911在CentOS 7服务器上测试Linux上的pthread并行代码.

单线程版本很简单,它用于初始化10000*10000矩阵:

int main(int argc)
{
    int size = 10000;

    int * r = (int*)malloc(size * size * sizeof(int));
    for (int i=0; i<size; i++) {
            for (int j=0; j<size; j++) {
                r[i * size + j] = rand();
            }
    }
    free(r);
}

然后我想看看并行代码是否可以提高性能:

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int size = 10000;

void *SetOdd(void *param) 
{
   printf("Enter odd\n"); 
   int * r      = (int*)param;
   for (int i=0; i<size; i+=2) {
         for (int j=0; j<size; j++) {
                r[i * size + j] = rand();
         }
   }
   printf("Exit Odd\n");
   pthread_exit(NULL);
   return 0;
} 

void *SetEven(void *param) 
{ 
   printf("Enter Even\n");
   int * r      = (int*)param;
   for (int i=1; i<size; i+=2) {
        for (int j=0; j<size; j++) {
                r[i * size + j] = rand();
        }
   }
   printf("Exit Even\n");
   pthread_exit(NULL);
   return 0;
} 

int main(int argc)
{
     printf("running in thread\n");
     pthread_t threads[2];
     int * r = (int*)malloc(size * size * sizeof(int));
     int rc0 = pthread_create(&threads[0], NULL, SetOdd, (void *)r); 
     int rc1 = pthread_create(&threads[1], NULL, SetEven, (void *)r); 
     for(int t=0; t<2; t++) {
           void* status;
           int rc = pthread_join(threads[t], &status);
           if (rc)  {
               printf("ERROR; return code from pthread_join()   is %d\n", rc);
               exit(-1);
            }
            printf("Completed join with thread %d status= %ld\n",t,      (long)status);
        }

   free(r);
   return 0;
}

简单的代码运行大约0.8秒,而多线程版本运行大约10秒!!!!!!!

我在4核服务器上运行.但为什么多线程版本如此之慢？

Answer 1

rand()既不是线程安全也不是重入.所以你不能rand()在多线程应用程序中使用.

使用rand_r()替代这也是一个伪随机数发生器,是线程安全的.如果你在乎.使用rand_r()更短的执行时间结果我有2个内核(大约一半的时间作为单线程版本)系统上的代码.

在两个线程函数中,执行:

void *SetOdd(void *param)
{
   printf("Enter odd\n");
   unsigned int s = (unsigned int)time(0);

   int * r      = (int*)param;
   for (int i=0; i<size; i+=2) {
         for (int j=0; j<size; j++) {
                r[i * size + j] = rand_r(&s);
         }
   }
   printf("Exit Odd\n");
   pthread_exit(NULL);
   return 0;
}

更新:

虽然C和POSIX标准确实要求rand()是一个线程安全的函数,但glibc实现(在Linux上使用)实际上确实以线程安全的方式实现它.

如果我们看一下rand()的glibc实现,就会有一个锁:

 291   __libc_lock_lock (lock);
 292 
 293   (void) __random_r (&unsafe_state, &retval);
 294 
 295   __libc_lock_unlock (lock);
 296 

任何同步构造(互斥,条件变量等)都不利于性能,即代码中使用的此类构造的数量越少,性能就越好(当然,我们无法完全避免在多线程应用程序中确定它们).

因此,只有一个线程可以实际访问随机数生成器,因为两个线程一直在争夺锁定.这解释了为什么rand()导致多线程代码性能不佳.