std::future::wait 应该使用这么多 CPU 吗？有没有更高效的调用？

Posted 2023-02-22

【中文标题】std::future::wait 应该使用这么多 CPU 吗？有没有更高效的调用？

【英文标题】：Should std::future::wait be using so much CPU? Is there a more performant call?

【发布时间】：2015-12-14 03:43:18

【问题描述】：

编辑：tl;dr -- 这个问题似乎仅限于一小部分操作系统/编译器/库组合，现在在 GCC Bugzilla 中被跟踪为Bug 68921，感谢@JonathanWakely。强>

我正在等待未来，我注意到top 显示 100% 的 CPU 使用率，strace 显示稳定的futex 调用流：

...
[pid 15141] futex(0x9d19a24, FUTEX_WAIT, -2147483648, 4222429828, 3077922816) = -1 EINVAL (Invalid argument)
...

这是在 Linux 4.2.0（32 位 i686）上，使用 gcc 版本 5.2.1 编译的。

这是我的最小可行示例程序：

#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>

int main() 
  std::promise<void> p;
  auto f = p.get_future();

  std::thread t([&p]()
    std::cout << "Biding my time in a thread.\n";
    sleep(10);
    p.set_value();
  );

  std::cout << "Waiting.\n";
  f.wait();
  std::cout << "Done.\n";

  t.join();
  return 0;

这里是编译器调用（没有-g的行为相同）：

g++ --std=c++11 -Wall -g -o spin-wait spin-wait.cc -pthread

有没有更好的替代方案？

这是一个使用std::condition_variable 的逻辑相似的程序，它的性能似乎要好得多：

#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <unistd.h>

int main() 
  bool done = 0;
  std::mutex m;
  std::condition_variable cv;

  std::thread t([&m, &cv, &done]()
    std::cout << "Biding my time in a thread.\n";
    sleep(10);
    
      std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
      done = 1;
    
    cv.notify_all();
  );

  std::cout << "Waiting.\n";
  
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
    cv.wait(lock, [&done] return done; );
  
  std::cout << "Done.\n";

  t.join();
  return 0;

我的基于std::future 的代码有问题吗，还是我的libstdc++ 中的实现有那么糟糕？

【问题讨论】：

也许你应该找出为什么 futex 被一个无效的参数调用，并修复它...

我敢打赌，在某个地方有类似 while(!future_is_done) futex(...); 的代码，他们希望对 futex 的调用等待一段时间，但如果失败，它最终会意外成为无限循环。

我想让互联网有机会告诉我我的代码有多么错误，然后才假设它是别人的错误，但是是的，感觉libstdc++ 要么有错误，要么有一些错误某种未说明的假设。

linux 4.2.0 (ubuntu 15.10), g++5.2.1, 64-bit, 这里没有明显的 cpu 使用率。

@RobStarling 确实，-m32 我可以重现您所描述的问题：100 % cpu 使用率和大量 futex 等待。

【参考方案1】：

不，当然不应该这样做，这是实现中的错误，而不是 std::future 的属性。

现在是https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=68921 - 不断调用futex(2) 的循环在__atomic_futex_unsigned::_M_load_and_test_until 中

它看起来像syscall 函数的一个简单的缺失参数，因此一个垃圾指针被传递给内核，它抱怨它不是一个有效的timespec* 参数。我正在测试修复，明天将提交，所以它将在 GCC 5.4 中修复

【讨论】：

@TemplateRex，这似乎与此答案没有直接相关的评论。请参阅 gcc.gnu.org/develop.html，它仅解释文档和回归修复。可以对严重的非回归错误或不构成破坏发布分支风险的琐碎修复（但不仅仅是因为有人 ping 它）进行例外处理。固定在主干上的东西不会自动固定在发布分支上，这完全符合政策，所以你不应该对此感到惊讶。 gcc 5 的功能冻结是 2014 年 11 月！这个修复看起来很简单，但我不知道它是否安全。

【参考方案2】：

不，不应该。它通常效果很好。

（在 cmets 中，我们正在尝试确定更多关于特定损坏配置的信息，其中生成的可执行文件似乎在旋转等待，但我相信这就是答案。确定这是否仍然是一个很好的选择在最新的 g++ 中旋转等待 32 位目标。）

promise 是 promise-future 通信通道的“推送”端：在共享状态中存储值的操作同步（如 std::memory_order 中定义的）任何函数的成功返回等待共享状态（例如std::future::get）。

我假设这包括std::future::wait。

[std::promise::set_value] 以原子方式将值存储到共享状态并准备好状态。 该操作的行为就像 set_value、set_exception、set_value_at_thread_exit 和 set_exception_at_thread_exit 在更新承诺对象时获取与承诺对象关联的单个互斥体。

虽然他们用承诺对象而不是共享状态来描述同步有点令人不安，但意图很明确。

cppreference.com[*] 继续以上述问题中不起作用的方式使用它。 （“这个例子展示了如何将 Promise 用作线程之间的信号。”）

【讨论】：

我觉得这并不令人不安，因为共享状态在调用时与该承诺相关联，并且共享状态一次只能与一个承诺相关联，而互斥锁只有对 promise 的操作才需要，而不是等待相同共享状态的读者需要。

知道了。 mutex 注释意味着只有一件事可以与 promise 交互以使状态准备就绪，而 synchronizes-with 注释意味着任何等待状态的东西都能看到该值。

是的，该互斥体（它不必实际存在，只要实现表现得像它一样）用于序列化对 set_xxx 函数的调用。共享状态上的大多数操作都需要是原子的 w.r.t 读取器和写入器，但这是对（或至少“通过”）promise 的操作。