超线程SMT究竟可以快多少？（斐波那契版）
前几天，宋老师写了2篇文章：
宋老师的SMT测试很有意思，但是编译内核涉及的因素太多了，包括访问文件系统等耗时受到存储器性能的影响，难以估算，因此很难评判SMT对性能的提升如何。
为了探究SMT对计算密集型workload的效果，我自己写了一个简单的测试程序。
使用pthread开多个线程，每个线程分别计算斐波那契数列第N号元素的值。每个线程计算斐波那契数列时除线程的元数据外只分配两个unsigned long变量，由此避免过高的内存开销。
workload的详细代码和测试脚本在[https://github.com/HongweiQin/smt_test]
毫无疑问，这是一个计算密集型负载，我在自己的笔记本上运行，配置如下（省略了一些不重要的项目）：
$ lscpu
Architecture: x86_64
CPU(s): 12
On-line CPU(s) list: 0-11
Thread(s) per core: 2
Core(s) per socket: 6
Socket(s): 1
NUMA node(s): 1
Vendor ID: GenuineIntel
Model name: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
L1d cache: 192 KiB
L1i cache: 192 KiB
L2 cache: 1.5 MiB
L3 cache: 12 MiB可以看到笔记本有一个Intel i7的处理器，6核12线程。经查，CPU0和CPU6共用一个Core，CPU1和CPU7共用一个Core，以此类推。
以下的测试(Test 1-5)中，每个线程分别计算斐波那契数列第40亿号元素的数值。
Test1：采用默认配置，开12线程进行测试。测试结果为总耗时45.003s。
qhw@qhw-laptop:~/develop/smt_test$ time ./smt_test -f 4000000000
threads_num=12, fibonacci_max=4000000000, should_set_affinity=0, should_inline=1, alloc_granularity=32
real0m45.003s
user7m12.953s
sys0m0.485sTest2：把smt关掉，同样的测试方法（12线程）。总耗时为25.733s。
qhw@qhw-laptop:~/develop/smt_test$ cat turnoff_smt.sh
#!/bin/bash
echo "turn off smt"
sudo sh -c 'echo off > /sys/devices/system/cpu/smt/control'
qhw@qhw-laptop:~/develop/smt_test$ ./turnoff_smt.sh
turn off smt
qhw@qhw-laptop:~/develop/smt_test$ time ./smt_test -f 4000000000
threads_num=12, fibonacci_max=4000000000, should_set_affinity=0, should_inline=1, alloc_granularity=32
real0m25.733s
user2m23.525s
sys0m0.116s对，你没看错。同样的workload，如果关掉smt，总耗时还变少了。Intel诚不欺我！
Test3：再次允许smt，但是将程序限制在三个物理Core上运行，则总耗时为34.896s。
qhw@qhw-laptop:~/develop/smt_test$ ./turnon_smt.sh
turn on smt
qhw@qhw-laptop:~/develop/smt_test$ time taskset -c 0-2,6-8 ./smt_test -f 4000000000
threads_num=12, fibonacci_max=4000000000, should_set_affinity=0, should_inline=1, alloc_granularity=32
real0m34.896s
user3m17.033s
sys0m0.028sTest3相比于Test1用了更少的Core，反而更快了。
为什么在Test2和3会出现这样违反直觉的结果？
猜想：Cache一致性在作怪！
图1
测试程序的main函数会分配一个含有T(T=nr_threads)个元素的`struct thread_info`类型的数组，并分别将每个元素作为参数传递给每个计算线程使用。`struct thread_info`定义如下：
struct thread_info {
pthread_t thread_id;
int thread_num;
unsigned long res[2];
};结构体中的res数组用于计算斐波那契数列，因此会被工作线程频繁地写。
注意到，sizeof(struct thread_info)为32，而我的CPU的cacheline大小为64B！这意味着什么？
图2
如图所示，如果Thread 0在Core 0上运行，则它会频繁写tinfo[0]，Thread 1在Core 1上运行，则它会频繁写tinfo[1]。
这意味着，当Thread 0写tinfo[0]时，它其实是写入了Core 0上L1 Cache的Cacheline。同样的，当Thread 1写tinfo[1]时，它其实是写入了Core 1上L1 Cache的Cacheline。此时，由于Core 1上的Cacheline并非最新，因此CPU需要首先将Core 0中的Cacheline写入多核共享的L3 Cache甚至是内存中，然后再将其读入Core 1的L1 Cache中，最后再将Thread 1的数据写入。此时，由于Cache 0中的数据并非最新，Cacheline会被无效化。由此可见，如果程序一直这样运行下去，这一组数据需要在Cache 0和1之间反复跳跃，占用较多时间。
这个猜想同样可以解释为什么使用较少的CPU可以加速程序运行。原因是当使用较少的CPU时，多线程不得不分时共用CPU，如果Thread 0和Thread 1分时共用了同一个CPU，则不需要频繁将Cache无效化，程序运行时间也就缩短了。
验证猜想：增加内存分配粒度！
对程序进行修改后，可以使用`-g alloc_granularity`参数设定tinfo结构体的分配粒度。使用4KB为粒度进行分配，再次进行测试：
Test4：12线程，开启SMT，分配粒度为4096。总耗时为13.193s，性能相比于Test1的45.003s有了质的提升！
qhw@qhw-laptop:~/develop/smt_test$ time ./smt_test -f 4000000000 -g 4096
threads_num=12, fibonacci_max=4000000000, should_set_affinity=0, should_inline=1, alloc_granularity=4096
real0m13.193s
user2m31.091s
sys0m0.217sTest5：在Test4的基础上限制只能使用3个物理Core。总耗时为24.841s，基本上是Test4的两倍。这说明在这个测试下，多核性能还是线性可扩展的。
qhw@qhw-laptop:~/develop/smt_test$ time taskset -c 0-2,6-8 ./smt_test -f 4000000000 -g 4096
threads_num=12, fibonacci_max=4000000000, should_set_affinity=0, should_inline=1, alloc_granularity=4096
real0m24.841s
user2m26.253s
sys0m0.032s超线程SMT究竟可以快多少？
表格和结论：
测试名 | 硬件配置 | 运行时间(s) |
|---|---|---|
Test6 | “真”6核 | 38.562 |
Test7 | “假”6核 | 58.843 |
Test8 | “真”3核 | 73.175 |
测试使用的是6个工作线程。为了减少误差，增加一点运行时间，每个线程计算斐波那契数列第200亿项的值。
对比Test6和7，可以看到SMT的提升大概在52.6%左右。
测试记录：
Test6：别名“真”6核，使用6个关闭了SMT的物理核进行计算。总耗时为38.562s。
Test7：别名“假”6核，使用3个开启了SMT的物理核进行计算。总耗时为58.843s。
Test8：别名“真”3核，使用3个关闭了SMT的物理核进行计算。总耗时为1m13.175s。
qhw@qhw-laptop:~/develop/smt_test$ cat test.sh
#!/bin/bash
fibonacci=20000000000
sudo printf ""
./turnoff_smt.sh
time ./smt_test -f $fibonacci -g 4096 -t 6
./turnon_smt.sh
time taskset -c 0-2,6-8 ./smt_test -f $fibonacci -g 4096 -t 6
./turnoff_smt.sh
time taskset -c 0-2,6-8 ./smt_test -f $fibonacci -g 4096 -t 6
./turnon_smt.sh
qhw@qhw-laptop:~/develop/smt_test$ ./test.sh
turn off smt
threads_num=6, fibonacci_max=20000000000, should_set_affinity=0, should_inline=1, alloc_granularity=4096
real0m38.562s
user3m50.786s
sys0m0.000s
turn on smt
threads_num=6, fibonacci_max=20000000000, should_set_affinity=0, should_inline=1, alloc_granularity=4096
real0m58.843s
user5m53.018s
sys0m0.005s
turn off smt
threads_num=6, fibonacci_max=20000000000, should_set_affinity=0, should_inline=1, alloc_granularity=4096
real1m13.175s
user3m39.486s
sys0m0.008s
turn on smt腾讯云开发者
