原子操作比锁定时间更长(没有争用)

Question

当没有争用时，我试图度量各种同步选项的开销。我使用以下程序：

#include <atomic>
#include <chrono>
#include <iostream>
#include <mutex>

void function() {
    static volatile uint64_t counter = 0;
    counter++;
}

void function2() {
    std::atomic<uint64_t> counter2 = 0;
    counter2++;
}

int main() {
    // warm up the cache
    std::mutex lock;
    for( int i=0; i<1'000'000; ++i ) {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(lock);
        function();
        function2();
    }

    std::cout<<"Starting test\n";
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for( int i=0; i<1'000'000; ++i ) {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(lock);
        function();
    }
    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::cout<<"  With lock took "<<std::chrono::ceil<std::chrono::nanoseconds>(end-start).count()<<"ns\n";

    start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for( int i=0; i<1'000'000; ++i ) {
        function();
    }
    end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::cout<<"    No lock took "<<std::chrono::ceil<std::chrono::nanoseconds>(end-start).count()<<"ns\n";

    start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for( int i=0; i<1'000'000; ++i ) {
        function2();
    }
    end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::cout<<"Atomic lock took "<<std::chrono::ceil<std::chrono::nanoseconds>(end-start).count()<<"ns\n";
}

用gcc或clang编写，我得到了类似的结果：

$ clang++-7 -g -O3 -std=c++2a locking.cpp -o locking && ./locking 
Starting test
  With lock took 2099204ns
    No lock took 2126724ns
Atomic lock took 12922543ns

因此，不管是否锁定，结果都是相似的(通常没有锁定会稍微快一些)，但是对于原子操作，我的x6性能会受到影响。

逻辑上说，在没有争用的情况下，相关变量都是运行中的CPU缓存的本地变量，而所有同步选项都将产生或多或少的相同性能。

我遗漏了什么？

Answer 1

问题在于基准测试程序。

第一种情况是，std::atomic没有被声明为static，导致在每次迭代时使用一个新的。第二个问题是程序不是用-pthread编译的，导致锁定代码变成无操作(这解释了为什么具有锁定的代码以与不带锁的代码相同的速度运行)。

解决这两个问题的结果是：

Starting test
  With lock took 21013047ns
    No lock took 2125868ns
Atomic lock took 6744567ns

所以原子方法比没有锁定慢3倍，而实际锁定大约慢10倍。