Mac M1下C程序多线程读大文件：线程越多执行时间越长的原因

针对你在Mac M1上遇到的多线程读取大文件性能不升反降的问题，结合M1的硬件特性和你的实现方式，以下是几个核心原因：

• 磁盘IO饱和与调度开销
  Mac M1搭载的NVMe磁盘虽性能强劲，但单盘的连续读写带宽、随机IOPS存在上限。当线程数超过2-3个时，多线程并行读取本质是争抢同一份磁盘资源，磁盘无法提供更高吞吐量，反而因线程上下文切换开销（内核切换线程栈、寄存器等操作）不断增加，抵消甚至超过多线程的潜在收益，最终拉长整体执行时间。

• M1的CPU核心调度特性
  M1采用8核设计（4个高性能Firestorm核心 + 4个低功耗Icestorm核心）。线程数在2-3个时，系统可将线程分配到空闲大核，几乎无上下文切换，性能与单线程持平；但线程数超过8后，必然出现线程跨核心频繁切换，甚至唤醒更多低功耗核心调度，核心切换开销随线程数增加呈指数级上升，直接拖慢整体速度。

• MAP_PRIVATE映射的额外开销
  你为每个线程创建独立的MAP_PRIVATE + PROT_READ映射，只读场景虽不会触发写时复制，但内核仍需为每个映射维护独立页表项、映射元数据。线程数越多，内核维护的映射结构越多，这部分内核态开销会被放大，成为性能瓶颈。全局单一映射因共享页表，这部分开销更小，但低线程数时不明显，线程数上来后才会凸显。

• 缓存命中率下降与伪共享
  单线程读取大文件时，CPU的L1/L2缓存可充分利用空间局部性，命中率很高；多线程同时读取不同文件区域时，访问地址分散，缓存无法复用，命中率急剧下降，需频繁从主存加载数据，增加延迟。另外，若每个线程的动态子数组内存地址相邻，可能触发缓存行伪共享——多个线程修改同一缓存行的不同位置，导致缓存频繁失效刷新，进一步降低性能。

• 统一内存架构的带宽瓶颈
  M1采用统一内存架构（UMA），CPU和GPU共享物理内存及带宽。多线程同时读取数GB级数据时，内存带宽会迅速被占满，后续线程需等待带宽资源，导致读取速度无法提升，甚至因等待队列变长而变慢。单线程或少量线程时，内存带宽未饱和，性能差异不大。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user25020188