05-互斥量的性能

30.1.3　互斥量的性能

使用互斥量的开销有多大？前面已经展示了递增共享变量程序的两个不同版本：没有使用互斥量的程序清单 30-1 和使用互斥量的程序清单30-2。在x86-32架构的Linux 2.6.31（含NPTL）系统下运行这两个程序，如令单一线程循环1000万次，前者共花费了0.35秒（并产生错误结果），而后者则需要3.1秒。

乍看起来，代价极高。不过，考虑一下前者（程序清单30-1）执行的主循环。在该版本中，函数threadFunc()于for循环中，先递增循环控制变量，再将其与另一变量进行比较，随后执行两个复制操作和一个递增操作，最后返回循环起始处开始下一次循环。而后者——使用互斥量的版本（程序清单30-2）执行了相同步骤，不过在每次循环的前后多了加锁和解锁互斥量的工作。换言之，对互斥量加锁和解锁的开销略低于第1个程序的10次循环操作。成本相对比较低廉。此外，在通常情况下，线程会花费更多时间去做其他工作，对互斥量的加锁和解锁操作相对要少得多，因此使用互斥量对于大部分应用程序的性能并无显著影响。

进而言之，在相同系统上运行一些简单的测试程序，结果显示，如将使用函数 fcntl()（见55.3 节）加锁、解锁一片文件区域的代码循环2000万次，需耗时44秒，而将对系统V信号量（semaphore）（见47章）的递增和递减代码循环2000万次，则需要28秒。文件锁和信号量的问题在于，其锁定和解锁总是需要发起系统调用（system call），而每个系统调用的开销虽小，但颇为可观（见3.1节）。与之相反，互斥量的实现采用了机器语言级的原子操作（在内存中执行，对所有线程可见），只有发生锁的争用时才会执行系统调用。

Linux上，互斥量的实现采用了futex（源自“快速用户空间互斥量”［fast user space mutex］的首字母缩写），而对锁争用的处理则使用了futex()系统调用。本书无意描述futex，其设计意图也并非供用户空间（user space）应用程序直接使用，不过[Drepper, 2004(a)]给出了详细描述，还讨论了如何使用futexes来实现互斥量。[Franke et al., 2002]是一篇由futex开发人员所撰写的论文（已经过时），介绍了futex的早期实现以及因其所带来的性能提升。