为何多线程FFTW性能不及单线程？附代码求问题排查

代码中的关键问题分析 #

• 线程数设置无效：你当前代码中fftw_plan_with_nthreads(1)明确指定用1线程，相当于单线程运行，自然看不到多线程性能提升。要测试多线程，需将这里改为大于1的数值（比如omp_get_num_procs()获取系统核心数，或手动设为2/4等），且必须在创建计划之前设置。
• 计划优化级别不足：使用FFTW_ESTIMATE生成计划时，FFTW仅快速生成简单方案，不会针对多线程做性能调优。多线程场景建议改用FFTW_MEASURE（运行测试寻找较优方案）或FFTW_PATIENT（耗时更长但优化更充分），能显著提升多线程执行效率。
• 计时方式错误：clock()统计的是总CPU时间（所有线程的CPU时间之和），多线程下该数值会比单线程高，但实际程序的墙钟运行时间（真实耗时）是减少的。应改用墙钟时间计时，比如clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)或gettimeofday()，才能正确反映多线程的速度提升。
• 输出语句错误：printf(cpu_time_used);格式错误，正确写法应为printf("Time used: %f seconds\n", cpu_time_used);，否则会导致未定义行为。
• 冗余的OpenMP代码：注释的OpenMP并行循环(#pragma omp parallel for)没必要——FFTW内部已处理单计划的多线程并行，外部再加OpenMP并行会导致线程嵌套，增加调度开销。

修改线程数后的性能预期 #

修改fftw_plan_with_nthreads的线程数，在合理范围内（不超过CPU物理核心数），通常能获得性能提升、加快运行速度，但需满足几个前提：

1. 计划创建时机正确：必须在调用fftw_plan_dft_r2c_2d/fftw_plan_dft_c2r_2d之前设置线程数，FFTW的计划会绑定创建时指定的线程配置，后续修改线程数不会生效。
2. 数据规模足够：如果处理的数据量太小，线程调度、同步的开销会超过并行计算的收益，此时多线程可能比单线程更慢。你当前的1024x1024规模已足够发挥多线程优势。
3. 使用合适的计划标志：如前文所说，FFTW_MEASURE或FFTW_PATIENT能让FFTW针对多线程场景优化执行策略，效果远好于FFTW_ESTIMATE。
4. 正确计时：用墙钟时间评估性能，避免被总CPU时间误导。

修正后的核心代码片段 #

// 启用多线程并设置线程数
fftw_init_threads();
int nthreads = omp_get_num_procs(); // 获取系统核心数
fftw_plan_with_nthreads(nthreads);

// 使用FFTW_MEASURE生成优化计划
r2c_plan = fftw_plan_dft_r2c_2d(n1, n2, x, y, FFTW_MEASURE);
c2r_plan = fftw_plan_dft_c2r_2d(n1, n2, y, z, FFTW_MEASURE);

// 改用墙钟时间计时
struct timespec start, end;
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);

for(i = 0; i < 1000; i++){
    fftw_execute(r2c_plan);
    fftw_execute(c2r_plan);
}

clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);
double cpu_time_used = (end.tv_sec - start.tv_sec) + (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1e9;
printf("Wall time used: %f seconds\n", cpu_time_used);

内容的提问来源于stack exchange，提问作者lwt