Eu tenho um aplicativo onde eu tenho que incrementar alguns contadores de estatísticas em um método multi-threaded. O incremento tem que ser thread-safe, então eu decidi usar o built-in atômico gcc__sync_add_and_fetch() função. Só para ter uma idéia do impacto deles, fiz alguns testes de desempenho simples e notei que essas funções são muito mais lentas que o simples pré / pós-incremento.

Aqui está o programa de teste que eu criei:

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <time.h>

using namespace std;

uint64_t diffTimes(struct timespec &start, struct timespec &end)
{
  if(start.tv_sec == end.tv_sec)
  {
    return end.tv_nsec - start.tv_nsec;
  }
  else if(start.tv_sec < end.tv_sec)
  {
    uint64_t nsecs = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000000;
    return nsecs + end.tv_nsec - start.tv_nsec;
  }
  else
  {
    // this is actually an error
    return 0;
  }
}

void outputResult(const char *msg, struct timespec &start, struct timespec &end, uint32_t numIterations, uint64_t val)
{
  uint64_t diff = diffTimes(start, end);
  cout << msg << ": "
       << "\n\t iterations: " << numIterations
       << ", result: " << val
       << "\n\t times [start, end] =  [" << start.tv_sec << ", " << start.tv_nsec << "]"
       << "\n\t [" << end.tv_sec << ", " << end.tv_nsec << "]"
       << "\n\t [total, avg] = [" << diff
       << ", " << (diff/numIterations) << "] nano seconds"
       << endl;
}

int main(int argc, char **argv)
{
  struct timespec start, end;
  uint64_t val = 0;
  uint32_t numIterations = 1000000;

  //
  // NON ATOMIC pre increment
  //
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &start);
  for(uint32_t i = 0; i < numIterations; ++i)
  {
    ++val;
  }
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &end);

  outputResult("Non-Atomic pre-increment", start, end, numIterations, val);
  val = 0;

  //
  // NON ATOMIC post increment
  //
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &start);
  for(uint32_t i = 0; i < numIterations; ++i)
  {
    val++;
  }
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &end);

  outputResult("Non-Atomic post-increment", start, end, numIterations, val);
  val = 0;

  //
  // ATOMIC add and fetch
  //
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &start);
  for(uint32_t i = 0; i < numIterations; ++i)
  {
    __sync_add_and_fetch(&val, 1);
  }
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &end);

  outputResult("Atomic add and fetch", start, end, numIterations, val);
  val = 0;

  //
  // ATOMIC fetch and add
  //
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &start);
  for(uint32_t i = 0; i < numIterations; ++i)
  {
    __sync_fetch_and_add(&val, 1);
  }
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &end);

  outputResult("Atomic fetch and add", start, end, numIterations, val);
  val = 0;

  //
  // Mutex protected post-increment
  //
  pthread_mutex_t mutex;
  pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &start);
  for(uint32_t i = 0; i < numIterations; ++i)
  {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    val++;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
  }
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &end);

  outputResult("Mutex post-increment", start, end, numIterations, val);
  val = 0;

  //
  // RWlock protected post-increment
  //
  pthread_rwlock_t rwlock;
  pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &start);
  for(uint32_t i = 0; i < numIterations; ++i)
  {
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
    val++;
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
  }
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &end);

  outputResult("RWlock post-increment", start, end, numIterations, val);
  val = 0;

  return 0;
}

E aqui estão os resultados:

# ./atomicVsNonAtomic
Non-Atomic pre-increment:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 1585375]
         [0, 1586185]
         [total, avg] = [810, 0] nano seconds
Non-Atomic post-increment:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 1667489]
         [0, 1667920]
         [total, avg] = [431, 0] nano seconds
Atomic add and fetch:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 1682037]
         [0, 16595016]
         [total, avg] = [14912979, 14] nano seconds
Atomic fetch and add:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 16617178]
         [0, 31499571]
         [total, avg] = [14882393, 14] nano seconds
Mutex post-increment:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 31526810]
         [0, 68515763]
         [total, avg] = [36988953, 36] nano seconds
RWlock post-increment:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 68547649]
         [0, 110877351]
         [total, avg] = [42329702, 42] nano seconds

Aqui está a compilação do gcc:

g++ -o atomicVsNonAtomic.o -c -march=i686 -O2 -I. atomicVsNonAtomic.cc
g++ -o atomicVsNonAtomic atomicVsNonAtomic.o -lrt -lpthread

E informações e versões relacionadas:

# gcc --version
gcc (GCC) 4.3.2
Copyright (C) 2008 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

# uname -a
Linux gtcba2v1 2.6.32.12-0.7-default #1 SMP 2010-05-20 11:14:20 +0200 i686 i686 i386 GNU/Linux

E agora para a questão real :) É normal que as operações atômicas sejam muito mais lentas?

A diferença para um milhão de iterações é:

pós-incremento simples: 431 nano segundosbusca atômica e adicionar operação: 14882393 nano segundos

É claro que entendo que uma operação atômica deveria ser mais cara, mas isso parece exagerado. Apenas para completar, eu também verifiquei um mutex pthread e rwlock. Pelo menos as operações atômicas são mais rápidas que as operações de pthread, mas ainda estou me perguntando se fiz algo errado. Eu não consegui que ligasse sem especificar o-march=i686 opção, talvez isso tenha um impacto?

ATUALIZAR:

Eu tirei o-O2 otimização do compilador e conseguiu obter resultados mais coerentes da seguinte forma:

# ./atomicVsNonAtomic
Non-Atomic pre-increment:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 1647303]
         [0, 4171164]
         [total, avg] = [2523861, 2] nano seconds
Non-Atomic post-increment:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 4310230]
         [0, 7262704]
         [total, avg] = [2952474, 2] nano seconds
Atomic add and fetch:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 7285996]
         [0, 25919067]
         [total, avg] = [18633071, 18] nano seconds
Atomic fetch and add:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 25941677]
         [0, 44544234]
         [total, avg] = [18602557, 18] nano seconds
Mutex post-increment:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 44573933]
         [0, 82318615]
         [total, avg] = [37744682, 37] nano seconds
RWlock post-increment:
         iterations: 1000000, result: 1000000
         times [start, end] =  [0, 82344866]
         [0, 125124498]
         [total, avg] = [42779632, 42] nano seconds