在我的情况下,为什么多线程比顺序编程慢？

Question

我是多线程的新手,并尝试通过一个简单的程序来学习它,它将n加1并返回总和.在连续的情况下,对n = 1e5和2e5 main调用该sumFrom1函数两次; 在多线程情况下,使用两个线程创建,pthread_create并在单独的线程中计算两个和.多线程版本比顺序版本慢得多(参见下面的结果).我在12-CPU平台上运行它,线程之间没有通信.

多线程:

Thread 1 returns: 0 
Thread 2 returns: 0 
sum of 1..10000: 50005000
sum of 1..20000: 200010000
time: 156 seconds

顺序:

sum of 1..10000: 50005000
sum of 1..20000: 200010000
time: 56 seconds

当我在编译中添加-O2时,多线程版本(9s)的时间小于顺序版本(11s)的时间,但不如我预期的那么多.我总是可以打开-O2标志,但我对未经优化的情况下多线程的低速感到好奇.它应该比顺序版慢吗？如果没有,我该怎么做才能让它更快？

代码:

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

typedef struct my_struct
{
  int n;                                                                                                                                                              
  int sum;                                                                                                                                                            
}my_struct_t;                                                                                                                                                         

void *sumFrom1(void* sit)                                                                                                                                              
{                                                                                                                                                                     
  my_struct_t* local_sit = (my_struct_t*) sit;                                                                                                                          
  int i;                                                                                                                                                              
  int nsim = 500000;  // Loops for consuming time                                                                                                                                                
  int j;                                                                                                                                                              

  for(j = 0; j < nsim; j++)                                                                                                                                           
  {                                                                                                                                                                   
    local_sit->sum = 0;                                                                                                                                                
    for(i = 0; i <= local_sit->n; i++)                                                                                                                                 
      local_sit->sum += i;                                                                                                                                             
  }    
}

int main(int argc, char *argv[])                                                                                                                                      
{                                                                                                                                                                     
  pthread_t    thread1;                                                                                                                                               
  pthread_t    thread2;                                                                                                                                               
  my_struct_t  si1;                                                                                                                                                   
  my_struct_t  si2;                                                                                                                                                   
  int          iret1;                                                                                                                                                 
  int          iret2;                                                                                                                                                 
  time_t       t1;                                                                                                                                                    
  time_t       t2;                                                                                                                                                    


  si1.n = 10000;                                                                                                                                                      
  si2.n = 20000;                                                                                                                                                      

  if(argc == 2 && atoi(argv[1]) == 1) // Use "./prog 1" to test the time of multithreaded version                                                                                                                                
  {                                                                                                                                                                   
    t1 = time(0);                                                                                                                                                     
    iret1 = pthread_create(&thread1, NULL, sumFrom1, (void*)&si1);      
    iret2 = pthread_create(&thread2, NULL, sumFrom1, (void*)&si2);                                                                                                     
    pthread_join(thread1, NULL);                                                                                                                                      
    pthread_join(thread2, NULL);                                                                                                                                      
    t2 = time(0);                                                                                                                                                     

    printf("Thread 1 returns: %d\n",iret1);                                                                                                                           
    printf("Thread 2 returns: %d\n",iret2);                                                                                                                           
    printf("sum of 1..%d: %d\n", si1.n, si1.sum);                                                                                                                     
    printf("sum of 1..%d: %d\n", si2.n, si2.sum);                                                                                                                     
    printf("time: %d seconds", t2 - t1);                                                                                                                              

  }                                                                                                                                                                   
  else     // Use "./prog" to test the time of sequential version                                                                                                                                                           
  {                                                                                                                                                                   
    t1 = time(0);                                                                                                                                                     
    sumFrom1((void*)&si1);                                                                                                                                            
    sumFrom1((void*)&si2);                                                                                                                                            
    t2 = time(0);                                                                                                                                                     

    printf("sum of 1..%d: %d\n", si1.n, si1.sum);                                                                                                                     
    printf("sum of 1..%d: %d\n", si2.n, si2.sum);                                                                                                                     
    printf("time: %d seconds", t2 - t1); 
  }                                                                                             
  return 0;                                                                                         
}   

UPDATE1:

经过一段关于"虚假分享"的谷歌搜索(谢谢,@马丁詹姆斯!),我认为这是主要原因.有(至少)两种方法来解决它:

第一种方法是在两个结构之间插入一个缓冲区(Thanks,@ daslink):

my_struct_t  si1;
char         memHolder[4096];
my_struct_t  si2; 

没有-O2,耗时从~156s减少到~38s.

第二种方法是避免经常更新sit->sum,这可以使用临时变量来实现sumFrom1(如@Jens Gustedt回复):

for(int sum = 0, j = 0; j < nsim; j++)              
{
  sum = 0;
  for(i = 0; i <= local_sit->n; i++)
    sum += i;
}
local_sit->sum = sum;

没有-O2,耗时从~156s减少到~35s或~109s(它有两个峰值!我不知道为什么.).使用-O2时,耗时约8秒.

Answer 1

通过将您的代码修改为

typedef struct my_struct
{
  size_t n;
  size_t sum;
}my_struct_t;

void *sumFrom1(void* sit)
{
  my_struct_t* local_sit = sit;
  size_t nsim = 500000;  // Loops for consuming time
  size_t n = local_sit->n;
  size_t sum = 0;
  for(size_t j = 0; j < nsim; j++)
  {
    for(size_t i = 0; i <= n; i++)
      sum += i;
  }
  local_sit->sum = sum;
  return 0;
}

现象消失。您遇到的问题：

• 对于这样的测试来说，用作int数据类型是完全错误的。你的数字已经超出了金额。有符号类型的溢出是未定义的行为。你很幸运，它没有吃掉你的午餐。
• 具有间接的边界和求和变量会给你带来额外的负载和存储，如果真的-O0这样做的话，就会产生错误共享和类似的东西的所有影响。

您的代码还观察到其他错误：

• 缺少包含atoi
• 多余的演员往返void*
• 打印time_t为int

请在发布之前编译您的代码-Wall。