使用std :: lock的大量CPU负载(c ++ 11)

Question

我最近实现线程/互斥管理器的努力最终导致75%的CPU负载(4核心),而所有四个正在运行的线程都处于睡眠状态或等待互斥锁解锁.

具体的类太大了,不能完全发布在这里,但我可以把原因缩小到两个互斥锁的死锁安全获取

std::unique_lock<std::mutex> lock1( mutex1, std::defer_lock );
std::unique_lock<std::mutex> lock2( mutex2, std::defer_lock );
std::lock( lock1, lock2 );

该类的另一部分使用std::condition_variablewith wait()和notify_one()on mutex1来同时有选择地执行某些代码.

简单的改变

std::unique_lock<std::mutex> lock1( mutex1 );
std::unique_lock<std::mutex> lock2( mutex2 );

使CPU使用率降至正常的1-2%.

我不敢相信,std::lock()功能是低效的.这可能是g ++ 4.6.3中的错误吗？

编辑:(示例)

#include <atomic>
#include <chrono>
#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

std::mutex mutex1, mutex2;
std::condition_variable cond_var;

bool cond = false;
std::atomic<bool>done{false};

using namespace std::chrono_literals;

void Take_Locks()
    {
    while( !done )
        {
        std::this_thread::sleep_for( 1s );

        std::unique_lock<std::mutex> lock1( mutex1, std::defer_lock );
        std::unique_lock<std::mutex> lock2( mutex2, std::defer_lock );
        std::lock( lock1, lock2 );

        std::this_thread::sleep_for( 1s );
        lock1.unlock();
        lock2.unlock();
        }
    }

void Conditional_Code()
    {
    std::unique_lock<std::mutex> lock1( mutex1, std::defer_lock );
    std::unique_lock<std::mutex> lock2( mutex2, std::defer_lock );

    std::lock( lock1, lock2 );
    std::cout << "t4: waiting \n";

    while( !cond )
        cond_var.wait( lock1 );

    std::cout << "t4: condition met \n";
    }

int main()
    {
    std::thread t1( Take_Locks ), t2( Take_Locks ), t3( Take_Locks );
    std::thread t4( Conditional_Code );

    std::cout << "threads started \n";
    std::this_thread::sleep_for( 10s );

    std::unique_lock<std::mutex> lock1( mutex1 );
    std::cout << "mutex1 locked \n" ;
    std::this_thread::sleep_for( 5s );

    std::cout << "setting condition/notify \n";
    cond = true;
    cond_var.notify_one();
    std::this_thread::sleep_for( 5s );

    lock1.unlock();
    std::cout << "mutex1 unlocked \n";
    std::this_thread::sleep_for( 6s );

    done = true;
    t4.join(); t3.join(); t2.join(); t1.join();
    }

Answer 1

在我的机器上,以下代码每秒打印10次并消耗几乎0 cpu,因为大多数情况下线程在锁定的互斥锁上处于休眠或阻塞状态:

#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>

using namespace std::chrono_literals;

std::mutex m1;
std::mutex m2;

void
f1()
{
    while (true)
    {
        std::unique_lock<std::mutex> l1(m1, std::defer_lock);
        std::unique_lock<std::mutex> l2(m2, std::defer_lock);
        std::lock(l1, l2);
        std::cout << "f1 has the two locks\n";
        std::this_thread::sleep_for(100ms);
    }
}

void
f2()
{
    while (true)
    {
        std::unique_lock<std::mutex> l2(m2, std::defer_lock);
        std::unique_lock<std::mutex> l1(m1, std::defer_lock);
        std::lock(l2, l1);
        std::cout << "f2 has the two locks\n";
        std::this_thread::sleep_for(100ms);
    }
}

int main()
{
    std::thread t1(f1);
    std::thread t2(f2);
    t1.join();
    t2.join();
}

样本输出:

f1 has the two locks
f2 has the two locks
f1 has the two locks
...

我在OS X上运行它,并且Activity Monitor应用程序说这个过程使用0.1%cpu.该机器是英特尔酷睿i5(4核).

我很乐意以任何方式调整此实验以尝试创建实时锁定或过多的CPU使用.

更新

如果此程序在您的平台上使用过多的CPU,请尝试将其更改为调用::lock(),其中定义为:

template <class L0, class L1>
void
lock(L0& l0, L1& l1)
{
    while (true)
    {
        {
            std::unique_lock<L0> u0(l0);
            if (l1.try_lock())
            {
                u0.release();
                break;
            }
        }
        std::this_thread::yield();
        {
            std::unique_lock<L1> u1(l1);
            if (l0.try_lock())
            {
                u1.release();
                break;
            }
        }
        std::this_thread::yield();
    }
}

我很想知道这对你有什么影响,谢谢.

更新2

经过长时间的拖延,我写了一篇关于这个主题的论文初稿.本文比较了完成这项工作的4种不同方式.它包含可以复制并粘贴到您自己的代码中并自行测试的软件(请报告您找到的内容!):

http://howardhinnant.github.io/dining_philosophers.html

Answer 2

如文档所述，对象是通过一系列未指定的锁定，try_lock和unlock的调用来锁定的。如果互斥锁在相当长的一段时间内被其他线程保持，则根本没有办法可能会有效。该函数无法等待而不会旋转。

Answer 3

在std::lock()非成员函数可能导致活锁问题或性能下降,它保证只有" 永生不灭锁 ".

如果您可以通过设计确定多个互斥锁的"锁定顺序(锁定层次结构)",则最好不要使用通用,std::lock()而是以预定顺序锁定每个互斥锁.

有关更多详细信息,请参阅获取无死锁的多个锁.