两段近似的C++多线程代码运行耗时差异巨大的原因探究

两段代码的性能差异核心在于**伪共享（False Sharing）**以及全局变量的内存访问冲突：

第一段代码的性能瓶颈 #

第一段中，evenSum和oddSum是全局变量，在内存中会被连续分配（全局变量存放在数据段，地址连续）。由于unsigned long long占8字节，而CPU缓存行通常为64字节，这两个变量必然处于同一个缓存行中。

当两个线程分别对这两个变量进行写入操作时，CPU的缓存一致性协议（如MESI）会触发频繁的缓存行失效与同步：

• 线程修改evenSum时，会标记对应缓存行为"已修改"，其他CPU核心中对应的缓存行会被置为"无效"
• 另一个线程修改oddSum时，发现自己的缓存行已无效，必须等待对方的缓存行同步回主存后重新加载，反之亦然

这种循环往复的缓存同步导致两个线程无法真正并行执行，而是在互相等待缓存更新，最终性能和单线程几乎无异。

第二段代码的优化逻辑 #

第二段代码中，每个线程先将全局变量的值读取到线程私有局部变量（函数内的evenSum和oddSum是栈上变量，属于线程私有内存），循环中仅对局部变量进行写入操作。

局部变量会被加载到各自CPU核心的独立缓存行中，互相之间不会产生缓存冲突：

• 两个线程的缓存操作完全独立，不会触发缓存一致性同步
• 线程可以真正并行执行循环计算，因此耗时接近第一段的一半，达到多线程并行的预期效果

由于你未开启编译优化，编译器不会自动将全局变量的访问优化为局部变量访问，因此这种手动修改的性能提升效果会非常明显。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者programmer of c