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std::hardware_destructive_interference_size, std::hardware_constructive_interference_size

From cppreference.com
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並行性サポートライブラリ
スレッド
(C++11)
(C++20)
hardware_destructive_interference_sizehardware_constructive_interference_size
(C++17)(C++17)
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(C++11)(C++20で非推奨)
(C++11)(C++20で非推奨)
メモリオーダー
(C++11)(C++26で非推奨)
アトミック操作のためのフリー関数
アトミックフラグのためのフリー関数
 
ヘッダ <new> で定義
inline constexpr std::size_t
    hardware_destructive_interference_size = /*実装定義*/;
(1) (C++17以降)
inline constexpr std::size_t
    hardware_constructive_interference_size = /*実装定義*/;
(2) (C++17以降)
1) 偽共有 (false sharing) を避けるために2つのオブジェクト間に必要な最小オフセット。少なくとも alignof(std::max_align_t) が保証される。
struct keep_apart
{
    alignas(std::hardware_destructive_interference_size) std::atomic<int> cat;
    alignas(std::hardware_destructive_interference_size) std::atomic<int> dog;
};
2) 真共有 (true sharing) を促進するための連続メモリの最大サイズ。少なくとも alignof(std::max_align_t) が保証される。
struct together
{
    std::atomic<int> dog;
    int puppy;
};
 
struct kennel
{
    // Other data members...
 
    alignas(sizeof(together)) together pack;
 
    // Other data members...
};
 
static_assert(sizeof(together) <= std::hardware_constructive_interference_size);

[編集] 備考

これらの定数は、L1データキャッシュラインサイズにアクセスするための移植性のある方法を提供する。

機能テストマクロ 規格 機能
__cpp_lib_hardware_interference_size 201703L (C++17) constexpr std::hardware_constructive_interference_size および

constexpr std::hardware_destructive_interference_size

[編集]

このプログラムは、与えられたグローバルオブジェクトのデータメンバーにアトミックに書き込む2つのスレッドを使用します。最初のオブジェクトは1つのキャッシュラインに収まるため、「ハードウェア干渉」が発生します。2番目のオブジェクトはデータメンバーを別々のキャッシュラインに保持するため、スレッド書き込み後の「キャッシュ同期」の可能性が回避されます。

#include <atomic>
#include <chrono>
#include <cstddef>
#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <new>
#include <thread>
 
#ifdef __cpp_lib_hardware_interference_size
    using std::hardware_constructive_interference_size;
    using std::hardware_destructive_interference_size;
#else
    // 64 bytes on x86-64 │ L1_CACHE_BYTES │ L1_CACHE_SHIFT │ __cacheline_aligned │ ...
    constexpr std::size_t hardware_constructive_interference_size = 64;
    constexpr std::size_t hardware_destructive_interference_size = 64;
#endif
 
std::mutex cout_mutex;
 
constexpr int max_write_iterations{10'000'000}; // the benchmark time tuning
 
struct alignas(hardware_constructive_interference_size)
OneCacheLiner // occupies one cache line
{
    std::atomic_uint64_t x{};
    std::atomic_uint64_t y{};
}
oneCacheLiner;
 
struct TwoCacheLiner // occupies two cache lines
{
    alignas(hardware_destructive_interference_size) std::atomic_uint64_t x{};
    alignas(hardware_destructive_interference_size) std::atomic_uint64_t y{};
}
twoCacheLiner;
 
inline auto now() noexcept { return std::chrono::high_resolution_clock::now(); }
 
template<bool xy>
void oneCacheLinerThread()
{
    const auto start{now()};
 
    for (uint64_t count{}; count != max_write_iterations; ++count)
        if constexpr (xy)
            oneCacheLiner.x.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
        else
            oneCacheLiner.y.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
 
    const std::chrono::duration<double, std::milli> elapsed{now() - start};
    std::lock_guard lk{cout_mutex};
    std::cout << "oneCacheLinerThread() spent " << elapsed.count() << " ms\n";
    if constexpr (xy)
        oneCacheLiner.x = elapsed.count();
    else
        oneCacheLiner.y = elapsed.count();
}
 
template<bool xy>
void twoCacheLinerThread()
{
    const auto start{now()};
 
    for (uint64_t count{}; count != max_write_iterations; ++count)
        if constexpr (xy)
            twoCacheLiner.x.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
        else
            twoCacheLiner.y.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
 
    const std::chrono::duration<double, std::milli> elapsed{now() - start};
    std::lock_guard lk{cout_mutex};
    std::cout << "twoCacheLinerThread() spent " << elapsed.count() << " ms\n";
    if constexpr (xy)
        twoCacheLiner.x = elapsed.count();
    else
        twoCacheLiner.y = elapsed.count();
}
 
int main()
{
    std::cout << "__cpp_lib_hardware_interference_size "
#   ifdef __cpp_lib_hardware_interference_size
        "= " << __cpp_lib_hardware_interference_size << '\n';
#   else
        "is not defined, use " << hardware_destructive_interference_size
                               << " as fallback\n";
#   endif
 
    std::cout << "hardware_destructive_interference_size == "
              << hardware_destructive_interference_size << '\n'
              << "hardware_constructive_interference_size == "
              << hardware_constructive_interference_size << "\n\n"
              << std::fixed << std::setprecision(2)
              << "sizeof( OneCacheLiner ) == " << sizeof(OneCacheLiner) << '\n'
              << "sizeof( TwoCacheLiner ) == " << sizeof(TwoCacheLiner) << "\n\n";
 
    constexpr int max_runs{4};
 
    int oneCacheLiner_average{0};
    for (auto i{0}; i != max_runs; ++i)
    {
        std::thread th1{oneCacheLinerThread<0>};
        std::thread th2{oneCacheLinerThread<1>};
        th1.join();
        th2.join();
        oneCacheLiner_average += oneCacheLiner.x + oneCacheLiner.y;
    }
    std::cout << "Average T1 time: "
              << (oneCacheLiner_average / max_runs / 2) << " ms\n\n";
 
    int twoCacheLiner_average{0};
    for (auto i{0}; i != max_runs; ++i)
    {
        std::thread th1{twoCacheLinerThread<0>};
        std::thread th2{twoCacheLinerThread<1>};
        th1.join();
        th2.join();
        twoCacheLiner_average += twoCacheLiner.x + twoCacheLiner.y;
    }
    std::cout << "Average T2 time: "
              << (twoCacheLiner_average / max_runs / 2) << " ms\n\n"
              << "Ratio T1/T2:~ "
              << 1.0 * oneCacheLiner_average / twoCacheLiner_average << '\n';
}

実行結果の例

__cpp_lib_hardware_interference_size = 201703
hardware_destructive_interference_size == 64
hardware_constructive_interference_size == 64
 
sizeof( OneCacheLiner ) == 64
sizeof( TwoCacheLiner ) == 128
 
oneCacheLinerThread() spent 517.83 ms
oneCacheLinerThread() spent 533.43 ms
oneCacheLinerThread() spent 527.36 ms
oneCacheLinerThread() spent 555.69 ms
oneCacheLinerThread() spent 574.74 ms
oneCacheLinerThread() spent 591.66 ms
oneCacheLinerThread() spent 555.63 ms
oneCacheLinerThread() spent 555.76 ms
Average T1 time: 550 ms
 
twoCacheLinerThread() spent 89.79 ms
twoCacheLinerThread() spent 89.94 ms
twoCacheLinerThread() spent 89.46 ms
twoCacheLinerThread() spent 90.28 ms
twoCacheLinerThread() spent 89.73 ms
twoCacheLinerThread() spent 91.11 ms
twoCacheLinerThread() spent 89.17 ms
twoCacheLinerThread() spent 90.09 ms
Average T2 time: 89 ms
 
Ratio T1/T2:~ 6.16

[編集] 関連項目

実装がサポートする並行スレッド数を返す
std::thread の公開静的メンバ関数) [編集]
実装がサポートする並行スレッド数を返す
std::jthread の公開静的メンバ関数) [編集]
English 日本語 中文(简体) 中文(繁體)