示例3：锁频繁抢占

简介

多线程程序，经常会存在锁频繁抢占问题，锁的争抢会导致CPU的资源浪费，可以基于实际的业务减少公共资源的抢占。本示例主要针对这一问题，通过鲲鹏DevKit系统性能分析工具资源调度和锁与等待分析功能来观测，建议用户分析业务逻辑减少锁的争抢，例如大锁变小锁，减少线程并发数等。

环境准备

1. 请确认服务器上已安装的操作系统是否兼容，GCC版本是否为7.3.0及以上，兼容性请参见鲲鹏DevKit兼容性查询助手。
2. 请确认服务器上是否已安装鲲鹏DevKit系统性能分析工具。
3. 请从Github下载代码样例，执行以下命令赋予所有用户可读、可写和可执行权限。
   

   样例代码文件为：pthread_atomic.c、pthread_mutex.c、pthread_mutex_long.c和pthread_mutex_long_mod.c。

   chmod 777 pthread_mutex.c pthread_atomic.c pthread_mutex_long.c pthread_mutex_long_mod.c

性能分析过程

1. 程序准备。
   1. 编译pthread_mutex.c并赋予执行文件所有用户可读、可写和可执行权限。

      gcc -g pthread_mutex.c -o pthread_mutex -lpthread && chmod 777 pthread_mutex

      

      • demo要求GCC版本在7.3以上，若需要关联源码，建议编译时加上-g参数，如：gcc -g pthread_mutex.c -o pthread_mutex -lpthread。
      • 若使用的GCC版本为10.x.x及以上，因该版本默认启用LSE指令集，可能优化效果不明显，建议编译程序时添加参数“-march=armv8-a+nolse -mno-outline-atomics”用以禁用该指令集。
      • 本实践除了锁与等待的分析对象为应用级外，其他模块均为系统级调优，进程和资源调度任务为了分析锁抢占情况，锁与等待任务定位优化锁抢占。
   2. 后台运行程序，nohup命令使得即使退出账户之后会继续运行相应的进程，防止任务中断。

      nohup taskset -c 0-1 ./pthread_mutex >>pthread_mutex.out 2>&1 &

      程序运行的输出（标准输出（1））将会保存到pthread_mutex.out文件，错误信息（2）会重定向到pthread_mutex.out文件。

      

      该程序一般运行时间为20秒左右，若已运行完成，启动采集任务将无法采集到该程序数据，可修改pthread_mutex.c源码中count参数增加对应运行时间或运行该程序后立即启动采集任务。

   3. 优化后程序pthread_atomic.c使用1.a一致的编译方式。
2. 采用进程/线程性能分析，查看造成CPU消耗的进程。

   创建进程/线程分析任务，并启动分析。

   表1 任务参数配置说明

   参数	说明
   分析类型	进程/线程性能分析
   分析对象	系统
   采样时长	10秒
   采样类型	全选
   其他参数	默认

3. 查看采集分析结果。
   图1 进程/线程分析结果总览
   

   默认排序是按照PID/TID升序排列，为便于观察CPU消耗的进程详情，请点击%CPU列旁边的按钮进行降序排列，可发现pthread_mutex程序在消耗大量的CPU资源，实际结果将根据实际运行情况显示，同图1略有差别。

4. 选择“上下文切换”页签，点击筛选按钮选择pthread_mutex程序所对应的PID。
   图2 上下文切换分析结果
   

   发现pthread_mutex对应进程及线程的上下文切换比较多，可推测该进程存在较多的切换。

5. 采用系统资源调度分析，查看pthread_mutex程序进程和线程的切换次数及抢占情况。

   创建资源调度分析任务，并启动分析。

   表2 任务参数配置说明

   参数	说明
   分析对象	应用
   模式	选择“Launch application”
   分析类型	资源调度分析
   应用路径	输入示例应用路径，如：/opt/testdemo/pthread_mutex。
   采样时长	30秒
   其他参数	默认

6. 查看“CPU/进程统计”页签。
   图3 CPU/进程统计
   

   可观察到pthread_mutex两个线程之间存在频繁交替抢占的情况，此情况最大可能是锁等互斥量操作。

7. 采用锁与等待分析，得到锁的调用情况。

   创建锁与等待分析任务，并启动分析。

   表3 任务配置参数说明

   参数	说明
   分析对象	应用
   模式	Attach to process
   分析类型	锁与等待分析
   PID	选择pthread_mutex应用对应的进程号
   采样时长	60秒
   其他参数	默认

8. 查看采集分析结果。
   图4 锁与等待分析结果总览
   
   图5 锁快照信息
   

   在“锁实例分析”页签，发现函数“__pthread_mutex_lock”被两个线程调用次数很多；在“锁快照”页签点，查看对应的锁的持有等待时间。

锁抢占优化

实际功能代码的执行速度较快，多线程使用锁的方案会将大量的资源开销花费在锁竞争上，为减少公共资源的的抢占，可通过原子变量无锁的编程方式优化代码。

1. 程序准备。
   1. 编译pthread_atomic.c并赋予执行文件所有用户可读、可写和可执行权限。

      gcc -g pthread_atomic.c -o pthread_atomic -lpthread && chmod 777 pthread_atomic

      

      • demo要求GCC版本在7.3以上，若需要关联源码，建议编译时加上-g参数，如：gcc -g pthread_atomic.c -o pthread_atomic -lpthread。
      • 若使用的GCC版本为10.x.x及以上，因该版本默认启用LSE指令集，可能优化效果不明显，建议编译程序时添加参数“-march=armv8-a+nolse -mno-outline-atomics”用以禁用该指令集。
   2. 后台运行程序，nohup命令使得即使退出账户之后会继续运行相应的进程，防止任务中断。

      nohup taskset -c 0-1 ./pthread_atomic >>pthread_atomic.out 2>&1 &

      程序运行的输出（标准输出（1））将会保存到pthread_atomic.out文件，错误信息（2）会重定向到pthread_atomic.out文件。

      

      该程序一般运行时间为20秒左右，若已运行完成，启动采集任务将无法采集到该程序数据，可修改pthread_atomic.c源码中count参数增加对应运行时间或运行该程序后立即启动采集任务。

2. 再次创建锁与等待分析任务（pthread_atomic.c应用）。

   表4 任务配置参数说明

   参数	说明
   分析对象	应用
   模式	Attach to process
   分析类型	锁与等待分析
   PID	选择pthread_atomic应用对应的进程号
   采样时长	60秒
   其他参数	默认

   图6 优化后锁与等待任务
   

   发现锁实例的计数和总时长大幅降低。

3. 再次创建资源调度分析任务。

   表5 任务参数配置说明

   参数	说明
   分析对象	应用
   模式	选择“Launch application”
   分析类型	资源调度分析
   应用路径	输入示例应用路径，如：/opt/testdemo/pthread_atomic。
   采样时长	30秒
   其他参数	默认

   图7 CPU/进程统计
   

   发现优化后的应用不存在频繁交替抢占，等待时间已被优化。