使用 pthread 来利用多核时出现问题

Question

我正在使用 SDL 和 Pthread 用 C++ 开发光线追踪器。 我在让我的程序使用两个核心时遇到问题。 线程可以工作，但它们并没有 100% 使用两个核心。 为了连接 SDL，我直接写入它的内存 SDL_Surface.pixels，因此我认为 SDL 不会锁定我。

我的线程函数如下所示：

void* renderLines(void* pArg){
while(true){
    //Synchronize
    pthread_mutex_lock(&frame_mutex);
    pthread_cond_wait(&frame_cond, &frame_mutex);
    pthread_mutex_unlock(&frame_mutex);

    renderLinesArgs* arg = (renderLinesArgs*)pArg;
    for(int y = arg->y1; y < arg->y2; y++){
        for(int x = 0; x < arg->width; x++){
            Color C = arg->scene->renderPixel(x, y);
            putPixel(arg->screen, x, y, C);
        }
    }

    sem_post(&frame_rendered);
    }
}

注意： scene->renderPixel 是 const，因此我假设两个线程都可以从同一内存中读取。 我有两个工作线程执行此操作，在我的主循环中，我使用以下方法进行这些工作：

//Signal a new frame
pthread_mutex_lock(&frame_mutex);
pthread_cond_broadcast(&frame_cond);
pthread_mutex_unlock(&frame_mutex);

//Wait for workers to be done
sem_wait(&frame_rendered);
sem_wait(&frame_rendered);

//Unlock SDL surface and flip it...

注意：我还尝试创建和加入线程而不是同步它们。 我用“-lpthread -D_POSIX_PTHREAD_SEMANTICS -pthread”编译它，并且 gcc 不会抱怨。

使用执行期间的 CPU 使用率图表可以最好地说明我的问题：
_{（来源：jopsen.dk）}

从我的程序一次只使用一个核心，然后每隔一段时间在两个核心之间切换，但它不会将两个核心都驱动到 100%。 我到底做错了什么？ 我没有在场景中使用任何互斥体或信号量。 我该怎么做才能找到错误？

另外，如果我将 while(true) 放在 scene->renderPixel() 周围，我可以将两个核心都推至 100%。 所以我怀疑这是由开销引起的，但考虑到复杂的场景，我只每 0.5 秒同步一次（例如 FPS：0.5）。 我意识到告诉我我的错误是什么可能并不容易，但是调试它的方法也很棒...我以前没有玩过pthreads...

另外，这可能是硬件或内核问题，我的内核是：

$uname -a
Linux jopsen-laptop 2.6.27-14-generic #1 SMP Fri Mar 13 18:00:20 UTC 2009 i686 GNU/Linux

注意：

Answer 1

这是没用的：

pthread_mutex_lock(&frame_mutex);
pthread_cond_wait(&frame_cond, &frame_mutex);
pthread_mutex_unlock(&frame_mutex);

如果您等待新帧，请执行以下操作：

int new_frame = 0;

第一个线程：

pthread_mutex_lock(&mutex); 
new_frame = 1; 
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

其他线程：

pthread_mutex_lock(&mutex); 
while(new_frame == 0)
  pthread_cond_wait(&cond, &mutex); 
/* Here new_frame != 0, do things with the frame*/
pthread_mutex_unlock(&mutex); 

pthread_cond_wait()，实际上释放互斥锁，并取消调度线程，直到发出条件信号。 当条件发出信号时，线程被唤醒并重新获取互斥体。 所有这些都发生在 pthread_cond_wait() 函数内

Answer 2

我会在黑暗中大胆尝试，说你的工作线程花费了大量时间等待条件变量。 为了在代码主要受 CPU 限制的这种情况下获得良好的 CPU 性能，可以理解为使用面向任务的编程风格，将线程视为“池”，并使用队列结构将工作提供给他们。 他们应该花很少的时间从队列中拉出工作，而将大部分时间花在实际工作上。

现在的情况是，它们可能正在工作一段时间，然后通过信号量通知主线程它们已经完成。 在两个线程都完成对当前正在处理的帧的处理之前，主线程不会释放它们。

既然您使用的是C++，您是否考虑过使用Boost.Threads？ 它使得处理多线程代码变得更加容易，并且 API 实际上有点类似于 pthreads，但是采用“现代 C++”的方式。

Answer 3

我不是 pthreads 专家，但在我看来，以下代码是错误的：

pthread_mutex_lock(&frame_mutex);
pthread_cond_wait(&frame_cond, &frame_mutex);
pthread_mutex_unlock(&frame_mutex);

引用 这篇文章

pthread_cond_wait() 阻塞调用
线程直到指定条件
已发出信号。 这个例程应该是
当互斥锁被锁定时调用，并且它
会自动释放互斥体
当它等待的时候。 信号后
收到并唤醒线程，互斥
将自动锁定使用
通过线程。 那么程序员就是
负责解锁互斥锁
该线程已完成。

所以在我看来，您应该在pthread_cond_wait之后的代码块之后释放互斥锁。