为什么pthread mutex被认为比futex“慢”？

Question

为什么POSIX互斥量被认为比futex更重或更慢？ pthread互斥锁类型的开销来自哪里？ 我听说pthread互斥体基于互斥体，当无争议时，不要对内核进行任何调用。 那时似乎pthread互斥体只是一个围绕futex的“包装器”。

开销只是在函数包装调用中，并且需要互斥函数来“设置”futex（即，基本上是pthread互斥函数调用的堆栈设置）？ 或者pthread互斥锁是否有一些额外的内存屏障步骤？

Answer 1

创建Futex是为了提高pthread互斥体的性能。 NPTL使用futexes，LinuxThreads早于futexes，我认为这是“慢”考虑的地方。 NPTL互斥量可能会有一些额外的开销，但它不应该太多。

编辑：实际开销主要包括：

• 为互斥类型选择正确的算法（正常，递归，自适应，错误检查;正常，健壮，优先级继承，优先级保护），其中代码向编译器提示我们可能正在使用普通互斥锁（所以它应该传达给CPU的分支预测逻辑），
• 如果我们设法接受通常应该快速的互斥锁，那么写入互斥锁的当前所有者，因为它与我们刚刚采用的实际锁定位于同一个缓存行中，除非锁定严重争用和其他一些锁定CPU在我们接受它的时间和我们尝试写入所有者之间访问锁定（对于普通的互斥锁，这种写入是不必要的，但是需要用于错误检查和递归互斥锁）。

因此，几个周期（典型情况）到几个周期+分支错误预测+额外的高速缓存未命中（非常坏的情况）。

Answer 2

对你的问题的简短回答是，已知futexes尽可能高效地实现，而pthread互斥量可能是也可能不是。 至少，pthread互斥锁具有与确定互斥锁类型相关的开销，而互斥锁则没有。 因此，futex几乎总是至少与pthread互斥锁一样有效，除非有人认为某些结构比futex轻，然后释放一个pthreads实现，将其用于默认的互斥锁。

Answer 3

从技术上讲，pthread互斥量并不比futex更慢或更快。 pthread只是一个标准API，因此它们是慢还是快取决于该API的实现 。

特别是在Linux中，pthread互斥体被实现为futexes，因此速度很快。 实际上，你不想使用futex API本身，因为它很难使用，在glibc中没有合适的包装函数，并且需要在汇编中进行编码，这是不可移植的。 幸运的是，对于我们来说，glibc维护者已经在pthread互斥API的引擎下为我们编写了所有这些代码。

现在，因为大多数操作系统都没有实现futexes，所以程序员通常用pthread mutex来表示你从pthread互斥体的常规实现中获得的性能，这是较慢的。

因此，统计事实是，在大多数符合POSIX标准的操作系统中，pthread互斥体在内核空间中实现，并且比futex慢。 在Linux中，它们具有相同的性能。 可能有其他操作系统在用户空间中实现了pthread互斥（在非竞争情况下），因此具有更好的性能，但我现在只知道Linux。

Answer 4

因为它们尽可能地留在用户空间中，这意味着它们需要更少的系统调用，这本身就更快，因为用户和内核模式之间的上下文切换是昂贵的。

当你谈论POSIX线程时，我假设你正在谈论内核线程。 完全可能有一个POSIX线程的完全用户空间实现，它不需要系统调用，但有自己的其他问题。

我的理解是，futex位于内核POSIX线程和用户空间POSIX线程之间。

Answer 5

在AMD64上，futex是4个字节，而NPTL pthread_mutex_t是56个字节！ 是的，有很大的开销。