两个线程与一个线程的运行时间没有改善

Question

我是 C++ 多线程编程的新手。我写了一段简单的代码，我将在下面粘贴。 当在两个线程中运行时，代码完成的速度几乎不比在单线程中运行时快。我遇到过其他类似的问题，但是它们不同，因为我没有两个线程都需要访问的共享资源：

代码如下：

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

using namespace std;

typedef unsigned long long ull;

ull oddSum = 0;
ull evenSum = 0;

void addOdd(){
    for(int i = 1; i <= 1999999999; i++){
        if(i % 2 == 1)
            oddSum += i;
    }
}

void addEven(){
    for(int i = 1; i <= 1999999999; i++){
        if(i % 2 == 0)
            evenSum += i;
    }
}

int main(){
    auto startTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    //Two threads
    std::thread t1(addEven);    //launch the two threads to run
    std::thread t2(addOdd); 

    t1.join();
    t2.join();    //wait for both to finish

    //One thread
    //addEven();
    //addOdd();

    auto stopTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    auto elapsed = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(stopTime - startTime);

    cout << "Odd Sum: " << oddSum << endl;
    cout << "Even Sum: " << evenSum << endl;

    cout << elapsed.count()/(double)1000000 << endl;

    return 0;
}

当我使用单线程运行时，平均运行 10 次约为 7.3 秒。

当我使用 两个线程 运行时，平均运行 10 次约为 6.8 秒。

由于函数中的循环占用了绝大多数时间，我相信并行运行两个线程，每个线程都有一个函数，运行时间会减半。

注意 1：我知道时间不可能正确减半，更有根据的猜测可能是两个线程中最多 5 秒的运行时间。我了解线程对象的创建有其自身的开销。

注意 2：也许我遗漏了一些东西，但是线程没有访问两者之间的任何共享位置。

欢迎任何想法。我熟悉并发编程背后的理论，我现在才刚刚开始获得一些实践经验。我有一个 4 核的英特尔 i7。

Answer 1

当频繁从不同线程访问变量时，您应该确保它们位于不同的缓存行（在 x86 上为 64 字节宽）。

您可以通过对齐变量来做到这一点：

ull oddSum __attribute__((aligned(64))) = 0;
ull evenSum  __attribute__((aligned(64))) = 0;

未能有效地序列化写入，因为缓存行一次只能被一个 CPU 修改。

在多线程情况下，对齐变量为我减少了 30% 的运行时间。

正如@walnut 在他的评论中提到的，如果你的编译器支持 C++17，这可以以可移植的方式完成：

#include <new>
alignas(std::hardware_destructive_interference_size) ull oddSum = 0;
alignas(std::hardware_destructive_interference_size) ull evenSum  = 0;

Answer 2

您没有对两个线程进行优化。下面是单线程解决方案。该线程遍历了 1999999999 个数字。

for(int i = 1; i <= 1999999999; i++){
    if(i % 2 == 1)
        oddSum += i;
    else
        evenSum += i;
}

下面是两个线程的两个循环，每个循环都遍历相同的数字。所以每个线程执行的工作量几乎相同。

for(int i = 1; i <= 1999999999; i++){
    if(i % 2 == 1)
        oddSum += i;
}

for(int i = 1; i <= 1999999999; i++){
    if(i % 2 == 0)
        evenSum += i;
}

两个线程的优化方案，两个线程共享1999999999次迭代：

for(int i = 1; i <= 1999999999; i += 2){
    oddSum += i;
}


for(int i = 2; i <= 1999999999; i += 2){
    evenSum += i;
}

现在每个线程执行的工作量减少了两倍。

Answer 3

因为您有两个相邻声明的全局变量，您可能遇到了false sharing。