为什么单线程操作比无线程操作花费的时间长 3 倍？

Question

我在 Java 中测试并发性，我的目标是确定拥有多个线程是否真的有益，但是，我得到的结果并不相加。我正在尝试优化阶乘函数，对于这个特定的测试，我使用的是 1e9！我想要结果模 1e9+7 这样它就不会溢出。首先，我根据 number_of_threads 划分数量，并分别为每个线程分配它们的工作。然后我照常做，比较我得到的时间。似乎当 number_of_threads = 4 时，我得到的结果比没有线程的版本更好，这是有道理的，因为我的 CPU 有 4 个内核。正如预期的那样，与只有 4 个相比，任何数量大于 4 的线程都具有更慢的时间。但是，当使用少于 4 个线程执行此操作时，结果会变得很大，例如，使用 1 个线程我希望它的持续时间与执行相同它没有线程+开销。没有线程我得到 6.2 秒和 19.3 有 1 个线程，这对于它来说差别太大了。

为了测试原因，我在 run 方法上放置了一些计数器，有时似乎只执行其中的 for 的 1 个周期需要超过一毫秒，而且不应该，因为它只是两个操作加上计时器。

public class Calc implements Runnable{
    long min, max, mod, res;
    Res r;
    public Calc(long min, long max, long mod, Res r) {
        this.min = min;
        this.max = max;
        this.mod = mod;
        res = 1;
        this.r = r;
    }
    public void run() {
        for(long i = min; i <= max; i++) {
            res *= i;
            res %= mod;
        }
        r.addup(res);
    }
}

public class Res{
    long result;
    long mod;
    public Res(long mod) {
        result = 1;
        this.mod = mod;
    }
    public synchronized void addup(long add) {
        result *= add;
        result %= mod;
    }
    public long getResult() {
        return result;
    }
}

public class Main{
    public static void main(String args[]) {
        long startTime = System.nanoTime();
        final long factorial = 1000000000L;
        final long modulo = 1000000007L;
        Res res = new Res(modulo);
        int number_of_threads = 1;
        Thread[] c = new Thread[number_of_threads];
        long min = 1, max = factorial/(long)number_of_threads;
        long cant = max;
        for(int i = 0; i < number_of_threads; i++) {
            if((long)i < (factorial % number_of_threads))max++;
            c[i] = new Thread(new Calc(min, max, modulo, res));
            c[i].start();
            min = max +1;
            max += cant;
        }
        for(int i = 0; i < number_of_threads; i++) {
            try {
                c[i].join();
            }catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(res.getResult());
        long endTime   = System.nanoTime();
        long totalTime = endTime - startTime;
        System.out.println((double)totalTime/1000000000L);
    }
}

当 number_of_threads = 1 时，我得到 19.3 秒。当 number_of_threads = 2 我得到 10.1 秒。当 number_of_threads = 3 我得到 7.1 秒。当 number_of_threads = 4 时，我得到 5.4 秒。在没有线程的情况下，我得到 6.2 秒（我用相同的方法计算这个时间）

只有 1 线程和没有线程之间应该没有太大区别，并且对于 2 和 3 线程应该比没有线程快。为什么会这样，有什么办法可以解决吗？谢谢。

编辑：添加无线程版本

public class Main{
    public static void main(String args[]) {
        long startTime = System.nanoTime();
        final long factorial = 1000000000L;
        final long modulo = 1000000007L;

        long res = 1;
        for(long i = 1; i <= factorial; i++) {
            res *= i;
            res %= modulo;
        }
        System.out.println(res);
        long endTime   = System.nanoTime();
        long totalTime = endTime - startTime;
        System.out.println((double)totalTime/1000000000L);
    }

}

Answer 1

这是因为您的“无线程”（仅主线程）版本使用了所有更容易优化的编译时常量。

如果您确保编译器不会提前知道值是什么：

class Main{
    public static void main(String args[]) {
        long factorial = Long.parseLong(args[0]);
        long modulo = Long.parseLong(args[1]);
        long startTime = System.nanoTime();

        long res = 1;
        for(long i = 1; i <= factorial; i++) {
            res *= i;
            res %= modulo;
        }
        System.out.println(res);
        long endTime   = System.nanoTime();
        long totalTime = endTime - startTime;
        System.out.println((double)totalTime/1000000000L);
    }

}

然后它会明显变慢：

$ java Main 1000000000 1000000007
698611116
11.368487148

在我的机器上，甚至比你另一台的 1 线程情况稍微多一点：

$ java Main
698611116
10.709532315

同样，如果您将 1 线程示例修改为使用 .run() 而不是 .start()，则所有内容都将在主线程上运行，但不会比 1 线程情况加速。