# lock-contention-benchmark

**Repository Path**: liudegui/lock-contention-benchmark

## Basic Information

- **Project Name**: lock-contention-benchmark
- **Description**: 多线程同步性能基准测试：Spinlock vs Mutex vs ConcurrentQueue
- **Primary Language**: C++
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 1
- **Created**: 2022-07-01
- **Last Updated**: 2026-02-21

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: Cpp, 多线程, 性能测试, 无锁, 同步原语

## README

# 锁竞争基准测试

多线程同步策略性能对比:

1. **Spinlock** -- atomic_flag TAS + pause/yield 提示
2. **std::mutex** -- OS 级互斥锁 + lock_guard
3. **ConcurrentQueue** -- moodycamel 无锁 MPMC 队列

## 构建与运行

```bash
mkdir build && cd build
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ..
make -j$(nproc)
./lock_test
```

## 测试方法

| 参数 | 值 |
|------|------|
| 线程数 | 8 |
| 每线程操作数 | 50,000 |
| 总操作数 | 400,000 (push 和 pop 严格相等) |
| 预热轮次 | 2 (结果丢弃) |
| 测量轮次 | 5 (报告 min/median/max) |
| SmallItem | 80 bytes (int32_t[20]) |
| LargeItem | 4096 bytes (int32_t[1024]) |

关键设计:

- 原子 Barrier 同步起跑，所有线程同时开始竞争
- Spinlock 自旋循环加 `pause` (x86) / `yield` (ARM) 提示，减少流水线浪费
- `do_not_optimize()` 编译器屏障，防止 dequeue 结果被优化掉
- ConcurrentQueue 使用 ProducerToken/ConsumerToken 获得最佳吞吐
- 容器统一为 `std::deque`，隔离锁竞争成本，避免 `std::list` 逐元素堆分配干扰
- Release 构建 (-O2 -DNDEBUG)

## 测试结果

### 测试环境

```
CPU:      AMD Ryzen 7 5800H (8 cores / 16 threads) @ 3.2GHz
RAM:      32GB DDR4
OS:       Ubuntu 24.04, Linux 6.8.0-79-generic x86_64
Compiler: GCC 13.3.0, -O2 -DNDEBUG
```

### SmallItem (80 bytes)

| 同步策略 | Push min | Push median | Push max | Pop min | Pop median | Pop max |
|----------|----------|-------------|----------|---------|------------|---------|
| Spinlock + deque | 136.85 ms | 144.45 ms | 150.62 ms | 114.25 ms | 123.02 ms | 128.10 ms |
| Mutex + deque | 154.14 ms | 178.89 ms | 186.68 ms | 198.58 ms | 211.40 ms | 215.61 ms |
| ConcurrentQueue | 2.78 ms | 2.98 ms | 3.33 ms | 4.08 ms | 4.25 ms | 5.07 ms |

### LargeItem (4096 bytes)

| 同步策略 | Push min | Push median | Push max | Pop min | Pop median | Pop max |
|----------|----------|-------------|----------|---------|------------|---------|
| Spinlock + deque | 1.584 s | 1.631 s | 1.659 s | 261.05 ms | 268.85 ms | 286.62 ms |
| Mutex + deque | 2.591 s | 2.693 s | 2.713 s | 461.52 ms | 477.66 ms | 587.43 ms |
| ConcurrentQueue | 267.54 ms | 283.93 ms | 288.31 ms | 47.03 ms | 48.53 ms | 54.17 ms |

## 分析

### SmallItem (80 bytes)

ConcurrentQueue 在 push 和 pop 上均领先锁方案约 50 倍。Spinlock 比 mutex 快约 20% (push) 和 42% (pop)。临界区短时，spinlock 避免了 mutex 在高竞争下的 futex 系统调用开销。

### LargeItem (4096 bytes)

ConcurrentQueue 保持优势 (push 快 ~6x，pop 快 ~6-10x)。Spinlock 仍优于 mutex 约 40%。ConcurrentQueue 的内部预分配块机制避免了逐元素堆分配，而 deque 在高负载下可能触发分配器竞争。

### 结论

1. **ConcurrentQueue 全面碾压**: 所有场景领先 1-2 个数量级，MPMC 队列场景首选
2. **Spinlock vs Mutex**: 短临界区 + 线程数 <= 核心数时，spinlock 快 20-40%
3. **Spinlock 适用边界**: 线程数远超核心数、临界区含 I/O、需要优先级继承时，应选 mutex

## 参考

- [moodycamel::ConcurrentQueue](https://github.com/cameron314/concurrentqueue)
- [C++ atomic_flag](https://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic_flag)
- [std::mutex](https://en.cppreference.com/w/cpp/thread/mutex)