【循环队列2】使用循环队列比较信号量和条件变量的性能

背景

   该篇博文是在看了一些文献，说是使用条件变量+互斥量会比使用信号量效率高，而以前看书的时候，觉得其它们是信号量的特例，直觉觉得只是简化了使用。虽然很多场景也没有必要使用信号量的计数，但是正如《win32 多线程程序设计》提的，有些场景必须使用（在没有条件变量的情况下）。因此测一下，条件变量与信号量的并发性能对比。

多线程的循环队列见另外本人的另外一篇博文（http://blog.chinaunix.net/uid-28993794-id-5770897.html）

由于另外两个版本的循环队列，以及完整的测试程序，代码显得有点多就不贴了，描述一下测试场景！（从该篇文章可以看出队列的一个并发问题，但是不影响测试）

概述

本文一共做了两次测试——结果看第二次测试就好了。第一次测试时是遇到了一点问题，以及有测试程序有BUG。第二次测试解决了此BUG，以及使用更大的数据来测试。

基本数据模型

    每个生产者和消费者都为一个线程，各自向队列中放、取一个消息（多个消息只能一个一个放）。生产者不能向满队列中放消息，消费者不能消费空消息。如果条件不满足，阻塞直到满足条件。

一个消息，简单定义为：

class Student
{

public:

    Student() {}

    Student(const char* strName, int iAge, char chSex = 1):name(strName), age(iAge), sex(chSex){}

    stl_char32 name;

    int age;

    char sex;

}

测试环境：

环境	VMWare
系统	Centos7_x64
CPU	1
内存	1GB

测试结果

测试的思路为：每个生产者生产1万消息，调整生产者、消费者数量，缓冲区大小（循环队列大小），使并发数量达到最大。

但是测出来的数据有跳变的现象，经过分析，是总的测试时间太短导致误差。（数据没有实际参考意义就不贴了）。第二次将消息量改为了1亿，数据就比较相对比较稳定（条件变量还是有很大偏差，如果改为10亿偏差又会小很多，不过对于信号量来说执行时间过长。考虑到误差与对比的结果来说已经具有说服力，故还是采用1亿消息量进行测试）。

条件变量

生产者、消费者两个，缓冲区1万，消息量1亿。原始数据3组（时间单位为us，速率单位:笔/ms）：

序号	消息数量	生产时间	生产速率	消费时间	消费者速率
1	100000000	33586668	2977.372	36325765	2752.867008
	100000000	34083701	2933.954	36323483	2753.039955
2	100000000	33605133	2975.736	36979767	2704.181451
	100000000	35280315	2834.442	36589686	2733.010609
3	100000000	35826637	2791.219	37227484	2686.187442
	100000000	34924632	2863.309	37674271	2654.331387

从表中计算的平均值等，与程序统计的一致，此处就不整理表格了。

从该表可以看出，至少数字没有太大的跳变了，因此用该方法统计几组数据：

生产速率	消费者速率	差值	高多少	偏差
2903.37	2718.52	184.85	6.80%	1.34%
2955.5	2752.95	202.55	7.36%	9.66%
2826.8	2670.16	156.64	5.87%	-12.57%
2993.23	2783.77	209.46	7.52%	12.14%
2924.19	2758.67	165.52	6.00%	-10.58%
2950.77	2721.45	229.32	8.43%	25.59%
2874.57	2757.5	117.07	4.25%	-36.72%
2918.347	2737.57429	180.7728571	6.71%
		直接算平均值	6.60%

该表统计了生产速率和消费速率的关系——考虑了测试中的误差。

信号量

测试案例都一样：

生产速率	消费者速率	差值	高多少
844.108	844.289	-0.181	-0.02%
843.285	844.689	-1.404	-0.17%
851.864	851.705	0.159	0.02%
841.78	838.346	3.434	0.41%
836.372	835.402	0.97	0.12%

从上面可以看出信号量的误差要小很多。 

条件变量10亿：

信号量的误差较小，因此增加测试10亿部分，生产者和消费者速率分别是：2856.48、2675.15。比开始测出的数据还要小，因此将缓冲区增大到100万。结果分别是：2827.63、2679.1 

从这里可以看出，似乎增大测试量，生产者和消费者的速率是在靠近的。但是无法证明。

 

说明：

    测试时，CPU会持续100%，内存使用1万缓冲区0.1%，使用100万缓冲区4%。时间可以从表中看出。

总结

1. 信号量速率比条件变量小很多（1/3）（信号量根据操作系统中标准的PV操作来实现的。）

2. 同样的测试程序，且生产者和消费者都是做一次memcpy，信号量的生产者和消费者速率会更匹配一点。