多线程应用程序中最快的文件读取

Posted 2023-02-16

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【中文标题】多线程应用程序中最快的文件读取【英文标题】：Fastest file reading in a multi-threaded application 【发布时间】：2012-05-27 10:12:13 【问题描述】：

我必须将 8192x8192 矩阵读入内存。我想尽快完成。现在我有这个结构：

char inputFile[8192][8192*4]; // I know the numbers are at max 3 digits
int8_t matrix[8192][8192]; // Matrix to be populated

// Read entire file line by line using fgets
while (fgets (inputFile[lineNum++], MAXCOLS, fp));

//Populate the matrix in parallel, 
for (t = 0; t < NUM_THREADS; t++)
    pthread_create(&threads[t], NULL, ParallelRead, (void *)t);

在函数ParallelRead 中，我解析每一行，执行atoi 并填充矩阵。并行性是逐行的，就像线程 t 解析行 t, t+ 1 * NUM_THREADS..

在具有 2 个线程的双核系统上，这需要

Loading big file (fgets) : 5.79126
Preprocessing data (Parallel Read) : 4.44083

有没有办法进一步优化？

【问题讨论】：

当有足够的数据可用时，也许您可以与 i/o 并行启动填充线程。老实说，我有点惊讶您能够通过从多个线程读取同一个文件来获得任何性能改进...在进行基准测试时，您是确保文件实际上是从磁盘读取的，而不是从缓存中读取的？ @aix 我仅使用了 2 个线程。我已经并行化了预处理部分，这是在将数据读入内存之后。我知道提高磁盘读取性能的唯一方法是：1）从压缩源读取数据。 2) 使用速度更快的磁盘或 RAID 阵列。或 3) 将数据拆分到单独的磁盘上，每个磁盘读取 1 个线程。通常，如果单个线程跟不上你的磁盘读取时间，你就有大问题了。以二进制形式存储您的数据。如果每个矩阵元素最多可以取 256 个不同的值，那么我们在这里看到的是 64MB，这应该很容易被现代硬件处理。然后，您还可以将文件直接内存映射到您的程序中。 【参考方案1】：

这样做是个坏主意。如果您有足够的内核但您仍然只有一个硬盘，线程可以获得更多的 CPU 周期。所以难免线程无法提高读取文件数据的速度。

他们实际上使情况变得更糟。当您按顺序访问文件时，从文件中读取数据的速度最快。这最大限度地减少了读取器磁头寻道的次数，这是迄今为止磁盘驱动器上最昂贵的操作。通过将读取拆分到多个线程中，每个线程读取文件的不同部分，您正在使阅读器的头部不断地来回跳跃。对吞吐量非常非常不利。

仅使用一个线程来读取文件数据。通过在加载文件数据块后启动一个线程，您可以将其与文件数据的一些计算周期重叠。

请注意测试效果。当您重新运行程序时，通常是在稍微调整代码之后，程序很可能可以在文件系统缓存中找到文件数据，因此不必从磁盘中读取。这是非常快的内存总线速度，内存到内存的复制。很可能在您的数据集上，因为它不是很大并且很容易适应现代机器的 RAM 量。这不会（通常）发生在生产机器上。所以一定要清除缓存以获得真实的数字，不管你的操作系统需要什么。

【讨论】：

他不并行读取文件，他正在将字符串从内存并行转换为 int8_t`s。这没有什么问题。我从未声称这有什么问题。事实上，我建议将其与读取数据的线程重叠。【参考方案2】：

值得考虑的一件事是分配两个较小的输入缓冲区（假设每个缓冲区为 200 行）。

然后让一个线程将数据读入输入缓冲区。当一个输入缓冲区已满时，将其传递给执行解析的第二个线程。第二个线程可以使用线程池进行并发解析（检查 openMP）。

您必须使用锁/互斥锁来确保任一线程具有独占访问权限。

这会更好，因为现在解析与读取文件是同时进行的，并且您对缓冲区的内存访问更加本地化并且适合您的 CPU 缓存。这可以提高读取和解析速度。

如果 fgets 是瓶颈，您还可以将文件作为二进制文件读入内存。这可以提高读取速度，但需要您进行额外的解析，并使上述优化更难执行。

【讨论】：

【参考方案3】：

尝试使用类似 fread 的方法加载字符数组的父线程，将 1 io 中的所有内容作为一个大字符串加载。

让父级遍历字符串，找到 1 行，或根据大小计算第一行的位置。将该行的处理交给一个线程。下一行，冲洗，重复，直到 EOF。与线程同步。完成。

【讨论】：