C++ 并发编程之互斥锁和条件变量的性能比较

介绍

本文以最简单生产者消费者模型，通过运行程序，观察该进程的cpu使用率，来对比使用互斥锁 和 互斥锁+条件变量的性能比较。

本例子的生产者消费者模型，1个生产者，5个消费者。
生产者线程往队列里放入数据，5个消费者线程从队列取数据，取数据前需要判断一下队列中是否有数据，这个队列是全局队列，是线程间共享的数据，所以需要使用互斥锁进行保护。即生产者在往队列里放入数据时，其余消费者不能取，反之亦然。

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互斥锁实现的代码

#include <iostream> // std::cout
#include <deque>    // std::deque
#include <thread>   // std::thread
#include <chrono>   // std::chrono
#include <mutex>    // std::mutex


// 全局队列
std::deque<int> g_deque;

// 全局锁
std::mutex g_mutex;

// 生产者运行标记
bool producer_is_running = true;

// 生产者线程函数
void Producer()
{
    // 库存个数
    int count = 8;

    do
    {
        // 智能锁，初始化后即加锁，保护的范围是代码花括号内，花括号退出即会自动解锁
        // 可以手动解锁，从而控制互斥锁的细粒度
        std::unique_lock<std::mutex> locker( g_mutex );
        // 入队一个数据
        g_deque.push_front( count );
        // 提前解锁，缩小互斥锁的细粒度，只针对共享的队列数据进行同步保护
        locker.unlock();

        std::cout << "生产者    ：我现在库存有 :" << count << std::endl;

        // 放慢生产者生产速度，睡1秒
        std::this_thread::sleep_for( std::chrono::seconds( 1 ) );

        // 库存自减少
        count--;
    } while( count > 0 );

    // 标记生产者打样了
    producer_is_running = false;

    std::cout << "生产者    ： 我的库存没有了，我要打样了！"  << std::endl;
}

// 消费者线程函数
void Consumer(int id)
{
    int data = 0;

    do
    {
        std::unique_lock<std::mutex> locker( g_mutex );
        if( !g_deque.empty() )
        {
            data = g_deque.back();
            g_deque.pop_back();
            locker.unlock();

            std::cout << "消费者[" << id << "] : 我抢到货的编号是 :" << data << std::endl;
        }
        else
        {
            locker.unlock();
        }
    } while( producer_is_running );

    std::cout << "消费者[" << id << "] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！"  << std::endl;
}

int main(void)
{
    std::cout << "1 producer start ..." << std::endl;
    std::thread producer( Producer );

    std::cout << "5 consumer start ..." << std::endl;
    std::thread consumer[ 5 ];
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        consumer[i] = std::thread(Consumer, i + 1);
    }

    producer.join();

    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        consumer[i].join();
    }

    std::cout << "All threads joined." << std::endl;

    return 0;
}

互斥锁实现运行结果：

结果输出

[root@lincoding condition]# g++ -std=c++0x -pthread -D_GLIBCXX_USE_NANOSLEEP main.cpp -o  main
[root@lincoding condition]# ./main
1 producer start ...
5 consumer start ...
生产者    ：我现在库存有 :8
消费者[1] : 我抢到货的编号是 :8
消费者[1] : 我抢到货的编号是 :7
生产者    ：我现在库存有 :7
生产者    ：我现在库存有 :6
消费者[3] : 我抢到货的编号是 :6
生产者    ：我现在库存有 :5
消费者[1] : 我抢到货的编号是 :5
生产者    ：我现在库存有 :4
消费者[2] : 我抢到货的编号是 :4
生产者    ：我现在库存有 :3
消费者[5] : 我抢到货的编号是 :3
生产者    ：我现在库存有 :2
消费者[2] : 我抢到货的编号是 :2
生产者    ：我现在库存有 :1
消费者[1] : 我抢到货的编号是 :1
生产者    ： 我的库存没有了，我要打样了！消费者[
5] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[2] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[3] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[4] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[1] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
All threads joined.

可以看到，互斥锁其实可以完成这个任务，但是却存在着性能问题。

• Producer是生产者线程，在生产者数据过程中，会休息1秒，所以这个生产过程是很慢的；

• Consumer是消费者线程，存在着一个while循环，只有判断到生产者不运行了，才会退出while循环，那么每次在循环体内，都是会先加锁，判断队列不空，然后从列队取出一个数据，最后解锁。所以说，在生产者休息1秒的时候，消费者线程实际上会做很多无用功，导致CPU使用率非常高！

运行的环境是4核cpu

[root@lincoding ~]# grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l
4

top命令查看cpu使用情况，可见使用纯互斥锁cpu的开销是很大的，main进程的cpu使用率达到了357.5%CPU，系统开销的cpu为54.5%sy，用户开销的cpu为18.2%us

[root@lincoding ~]# top
top - 19:13:41 up 36 min,  3 users,  load average: 0.06, 0.05, 0.01
Tasks: 179 total,   1 running, 178 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
Cpu(s): 18.2%us, 54.5%sy,  0.0%ni, 27.3%id,  0.0%wa,  0.0%hi,  0.0%si,  0.0%st
Mem:   1004412k total,   313492k used,   690920k free,    41424k buffers
Swap:  2031608k total,        0k used,  2031608k free,    79968k cached

   PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
 35346 root      20   0  137m 3288 1024 S 357.5  0.3   0:05.92 main
     1 root      20   0 19232 1492 1224 S  0.0  0.1   0:02.16 init
     2 root      20   0     0    0    0 S  0.0  0.0   0:00.01 kthreadd
     3 root      RT   0     0    0    0 S  0.0  0.0   0:00.68 migration/0  

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解决的办法之一就是给消费者也加一个小延时，当消费者没取到数据时，就休息一下500毫秒，这样可以减少互斥锁给cpu带来的开销。

// 消费者线程函数
void Consumer(int id)
{
    int data = 0;

    do
    {
        std::unique_lock<std::mutex> locker( g_mutex );
        if( !g_deque.empty() )
        {
            data = g_deque.back();
            g_deque.pop_back();
            locker.unlock();

            std::cout << "消费者[" << id << "] : 我抢到货的编号是 :" << data << std::endl;
        }
        else
        {
            locker.unlock();
            // 当消费者没取到数据时，就休息一下500毫秒
            std::this_thread::sleep_for( std::chrono::milliseconds( 500 ) );
        }
    } while( producer_is_running );

    std::cout << "消费者[" << id << "] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！"  << std::endl;
}

从运行结果可知，cpu使用率大大降低了

[root@lincoding ~]# ps aux | grep -v grep  |grep main
USER        PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root      61296  0.0  0.1 141068  1244 pts/1    Sl+  19:40   0:00 ./main

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条件变量+互斥锁实现的代码

那么问题来了，如何确定消费者延时（休息）多久呢？

• 如果生产者生产的非常快，消费者却延时了500毫秒，也不是很好
• 如果生产者生产的更慢，那么消费延时500毫秒，也会有无用功，占用了CPU

这就需要引入条件变量std::condition_variable，应用于消费者生产模型中，就是生产者生产完一个数据后，通过notify_one()唤醒正在wait()消费者线程，使得消费者从队列取出一个数据。

#include <iostream> // std::cout
#include <deque>    // std::deque
#include <thread>   // std::thread
#include <chrono>   // std::chrono
#include <mutex>    // std::mutex

#include <condition_variable> // std::condition_variable


// 全局队列
std::deque<int> g_deque;

// 全局锁
std::mutex g_mutex;

// 全局条件变量
std::condition_variable g_cond;

// 生产者运行标记
bool producer_is_running = true;

// 生产者线程函数
void Producer()
{
    // 库存个数
    int count = 8;

    do
    {
        // 智能锁，初始化后即加锁，保护的范围是代码花括号内，花括号退出即会自动解锁
        // 可以手动解锁，从而控制互斥锁的细粒度
        std::unique_lock<std::mutex> locker( g_mutex );
        // 入队一个数据
        g_deque.push_front( count );
        // 提前解锁，缩小互斥锁的细粒度，只针对共享的队列数据进行同步保护
        locker.unlock();

        std::cout << "生产者    ：我现在库存有 :" << count << std::endl;

        // 唤醒一个线程
        g_cond.notify_one();

        // 睡1秒
        std::this_thread::sleep_for( std::chrono::seconds( 1 ) );

        // 库存自减少
        count--;
    } while( count > 0 );

    // 标记生产者打样了
    producer_is_running = false;

    // 唤醒所有消费线程
    g_cond.notify_all();

    std::cout << "生产者    ： 我的库存没有了，我要打样了！"  << std::endl;
}

// 消费者线程函数
void Consumer(int id)
{
    // 购买的货品编号
    int data = 0;

    do
    {
        // 智能锁，初始化后即加锁，保护的范围是代码花括号内，花括号退出即会自动解锁
        // 可以手动解锁，从而控制互斥锁的细粒度
        std::unique_lock<std::mutex> locker( g_mutex );

        // wait()函数会先调用互斥锁的unlock()函数，然后再将自己睡眠，在被唤醒后，又会继续持有锁，保护后面的队列操作
        // 必须使用unique_lock，不能使用lock_guard，因为lock_guard没有lock和unlock接口，而unique_lock则都提供了
        g_cond.wait(locker);

        // 队列不为空
        if( !g_deque.empty() )
        {
            // 取出队列里最后一个数据
            data = g_deque.back();

            // 删除队列里最后一个数据
            g_deque.pop_back();

            // 提前解锁，缩小互斥锁的细粒度，只针对共享的队列数据进行同步保护
            locker.unlock();

            std::cout << "消费者[" << id << "] : 我抢到货的编号是 :" << data << std::endl;
        }
        // 队列为空
        else
        {
            locker.unlock();
        }

    } while( producer_is_running );

    std::cout << "消费者[" << id << "] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！"  << std::endl;
}

int main(void)
{
    std::cout << "1 producer start ..." << std::endl;
    std::thread producer( Producer );

    std::cout << "5 consumer start ..." << std::endl;
    std::thread consumer[ 5 ];
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        consumer[i] = std::thread(Consumer, i + 1);
    }

    producer.join();

    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        consumer[i].join();
    }

    std::cout << "All threads joined." << std::endl;

    return 0;
}

条件变量+互斥锁运行结果

[root@lincoding condition]# g++ -std=c++0x -pthread -D_GLIBCXX_USE_NANOSLEEP main.cpp -o  main
[root@lincoding condition]#
[root@lincoding condition]# ./main
1 producer start ...
5 consumer start ...
生产者    ：我现在库存有 :8
消费者[4] : 我抢到货的编号是 :8
生产者    ：我现在库存有 :7
消费者[2] : 我抢到货的编号是 :7
生产者    ：我现在库存有 :6
消费者[3] : 我抢到货的编号是 :6
生产者    ：我现在库存有 :5
消费者[5] : 我抢到货的编号是 :5
生产者    ：我现在库存有 :4
消费者[1] : 我抢到货的编号是 :4
生产者    ：我现在库存有 :3
消费者[4] : 我抢到货的编号是 :3
生产者    ：我现在库存有 :2
消费者[2] : 我抢到货的编号是 :2
生产者    ：我现在库存有 :1
消费者[3] : 我抢到货的编号是 :1
生产者    ： 我的库存没有了，我要打样了！
消费者[5] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[1] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[4] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[2] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
消费者[3] ：卖家没有货打样了，真可惜，下次再来抢！
All threads joined.

CPU开销非常的小

[root@lincoding ~]# ps aux | grep -v grep  |grep main
USER        PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root      73838  0.0  0.1 141068  1256 pts/1    Sl+  19:54   0:00 ./main

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总结

在不确定生产者的生产速度是快还是慢的场景里，不能只使用互斥锁保护共享的数据，这样会对CPU的性能开销非常大，可以使用互斥锁+条件变量的方式，当生产者线程生产了一个数据，就唤醒消费者线程进行消费，避免一些无用功的性能开销。