OpenMP: 创建线程中的锁及原子操作性能比较

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在多核CPU中锁竞争到底会造成性能怎样的下降呢？相信这是许多人想了解的，因此特地写了一个测试程序来测试原子操作，windows CriticalSection， OpenMP的锁操作函数在多核CPU中的性能。

原子操作选用InterlockedIncrement来进行测试，对每种锁和原子操作，都测试在单任务执行和多任务执行2000000次加锁解锁操作所消耗的时间。
测试的详细代码见后面。

测试机器环境： Intel 2.66G 双核CPU 机器一台

测试运行结果如下：
SingleThread, InterlockedIncrement 2,000,000: a = 2000000, time = 78
MultiThread, InterlockedIncrement 2,000,000: a = 2000000, time = 156
SingleThread, Critical_Section 2,000,000:a = 2000000, time = 172
MultiThread, Critical_Section, 2,000,000:a = 2000000, time = 3156
SingleThread,omp_lock 2,000,000:a = 2000000, time = 250
MultiThread,omp_lock 2,000,000:a = 2000000, time = 1063

在单任务运行情况下，所消耗的时间如下：
原子操作 78ms
Windows CriticalSection 172ms
OpenMP 的lock操作 250ms

因此从单任务情况来看，原子操作最快，Windows CriticalSection次之，OpenMP库带的锁最慢，但这几种操作的时间差距不是很大，用锁操作比原子操作慢了2～3倍左右。

在多个任务运行的情况下，所消耗的时间如下：

原子操作 156ms
Windows CriticalSection 3156ms
OpenMP 的lock操作 1063ms

在多任务运行情况下，情况发生了意想不到的变化，原子操作时间比单任务操作时慢了一倍，在两个CPU上运行比在单个CPU上运行还慢一倍，真是难以想象，估计是任务切换开销造成的。
Windows CriticalSection则更离谱了，居然花了3156ms，是单任务运行时的18倍多的时间，慢得简直无法想象。
OpenMP的lock操作比Windows CriticalSection稍微好一些，但也花了1063ms，是单任务时的7倍左右。

由此可以知道，在多核CPU的多任务环境中，原子操作是最快的，而OpenMP次之，Windows CriticalSection则最慢。

同时从这些锁在单任务和多任务下的性能差距可以看出，，多核CPU上的编程和以往的单核多任务编程会有很大的区别。

测试代码如下：

#include <windows.h>
#include <time.h>
#include <process.h>
#include <omp.h>
#include <stdio.h>
void TestAtomic()
{
 clock_t t1,t2;
 int      i = 0;
 volatile LONG      a = 0;
 t1 = clock();
 for( i = 0; i < 2000000; i++ )
 {
  InterlockedIncrement( &a);
 }
 t2 = clock();
 printf("SingleThread, InterlockedIncrement 2,000,000: a = %ld, time = %ld\n", a, t2-t1);
 t1 = clock();
#pragma omp parallel for
 for( i = 0; i < 2000000; i++ )
 {
  InterlockedIncrement( &a);
 }
 t2 = clock();
 printf("MultiThread, InterlockedIncrement 2,000,000: a = %ld, time = %ld\n", a, t2-t1);
}
void TestOmpLock()
{
 clock_t t1,t2;
 int i;
 int a = 0;
 omp_lock_t    mylock;
 omp_init_lock(&mylock);
 t1 = clock();
 for( i = 0; i < 2000000; i++ )
 {
  omp_set_lock(&mylock);
  a+=1;
  omp_unset_lock(&mylock);
 }
 t2 = clock();
 printf("SingleThread,omp_lock 2,000,000:a = %ld, time = %ld\n", a, t2-t1);
 t1 = clock();
#pragma omp parallel for
 for( i = 0; i < 2000000; i++ )
 {
  omp_set_lock(&mylock);
  a+=1;
  omp_unset_lock(&mylock);
 }
 t2 = clock();
 printf("MultiThread,omp_lock 2,000,000:a = %ld, time = %ld\n", a, t2-t1);
 omp_destroy_lock(&mylock);
}
 
void TestCriticalSection()
{
 clock_t t1,t2;
 int i;
 int a = 0;
 CRITICAL_SECTION   cs;
 InitializeCriticalSection(&cs);
 t1 = clock();
 for( i = 0; i < 2000000; i++ )
 {
  EnterCriticalSection(&cs);
  a+=1;
  LeaveCriticalSection(&cs);
 }
 t2 = clock();
 printf("SingleThread, Critical_Section 2,000,000:a = %ld, time = %ld\n", a, t2-t1);
 t1 = clock();
#pragma omp parallel for
 for( i = 0; i < 2000000; i++ )
 {
  EnterCriticalSection(&cs);
  a+=1;
  LeaveCriticalSection(&cs);
 }
 t2 = clock();
 printf("MultiThread, Critical_Section, 2,000,000:a = %ld, time = %ld\n", a, t2-t1);
 DeleteCriticalSection(&cs);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
 TestAtomic();
 TestCriticalSection();
 TestOmpLock();
 return 0;
}

结果：