为何C++/Python数据处理函数执行时长呈双峰分布？

开发者阿泽

2026-8-19

为何我的C++函数执行时长呈现双峰分布？

在我的C代码中，我加载一个外部数据处理库（编译为共享对象的C类或Python类），在开始测量前仅实例化一次该类，随后调用其data_received方法N次并测量每次执行的时长。但两种版本中，执行时长均呈现双峰分布：

图1：C++回调场景
图2：Python回调场景

需注意的是，我将这些函数作为ROS节点接收消息时的回调函数运行，发布器发布消息的频率为5000Hz，即每0.2毫秒发布一次，因此这些函数约每0.2毫秒被调用一次。

此外，我尝试直接顺序调用这些函数100万次（不通过回调），此时执行时长分布也呈现双峰分布，但现象较弱：

图3：C++顺序调用场景
图4：Python顺序调用场景

可见，顺序执行与周期性回调执行的代码存在明显差异，但我无法理解其原因。此外，时长似乎存在周期性——以组的形式出现，这一点在图5中有所体现，该特征适用于C++和Python版本，即使是顺序调用场景也存在（但效果不明显）。

我猜测这可能与CPU调度有关？不过我运行在Linux PREEMPT_RT 5.15.55-rt48内核上，已将进程优先级设为-98，调度策略设为SCHED_RR，采用Release构建，通过命令colcon build --packages-select <ros package> --cmake-args -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release构建项目，编译器为GNU 9.4.0，对应的CMakeLists.txt如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.8)
project(data_processor)

message(STATUS "compiler: ${CMAKE_CXX_COMPILER_ID} ${CMAKE_CXX_COMPILER_VERSION}")

if (CMAKE_COMPILER_IS_GNUCXX OR CMAKE_CXX_COMPILER_ID MATCHES "Clang")
    add_compile_options(-Wall -Wextra -Wpedantic)
endif ()

find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)
find_package(mtms_interfaces REQUIRED)
find_package(fpga_interfaces REQUIRED)

set(MATLAB_FIND_DEBUG true)
# MATLAB
find_package(Matlab)
if (Matlab_FOUND)
    # Following 5 lines taken from https://stackoverflow.com/questions/8880802/cmake-linking-shared-library
    # Fixes runtime error "error while loading shared libraries: libMatlabDataArray.so: cannot open shared object file: No such file or directory"
    SET(CMAKE_SKIP_BUILD_RPATH FALSE)
    SET(CMAKE_BUILD_WITH_INSTALL_RPATH FALSE)
    SET(CMAKE_INSTALL_RPATH "${CMAKE_INSTALL_PREFIX}/lib64")
    SET(CMAKE_INSTALL_RPATH_USE_LINK_PATH TRUE)
    SET(CMAKE_INSTALL_RPATH "${CMAKE_INSTALL_PREFIX}/lib64")

    set(LD_LIBRARY_PATH ${LD_LIBRARY_PATH}:${Matlab_ROOT_DIR}/extern/bin/glnxa64:${Matlab_ROOT_DIR}/sys/os/glnxa64)
    include_directories(${Matlab_ROOT_DIR}/extern/include/)
    link_directories(${Matlab_ROOT_DIR}/extern/bin/glnxa64)
else ()
    message(STATUS "MATLAB NOT FOUND")
endif ()

add_executable(
        data_processor
        src/data_processor.cpp
        src/processor.cpp
        src/headers/processor.h
        src/python_processor.cpp
        src/matlab_processor.cpp
        src/compiled_matlab_processor.cpp
        src/matlab_processor_interface.cpp
        src/headers/matlab_processor.h
        src/headers/python_processor.h
        src/headers/compiled_matlab_processor.h
        src/headers/scheduling_utils.h
        src/headers/scheduling_utils.cpp
        src/headers/matlab_processor_interface.h
        src/headers/fpga_event.h
        src/headers/data_processor.h
        src/headers/matlab_helpers.h
        src/matlab_helpers.cpp)

target_include_directories(data_processor
        PUBLIC
        $<BUILD_INTERFACE:${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/lib>
        $<INSTALL_INTERFACE:lib>)

ament_target_dependencies(data_processor rclcpp std_msgs mtms_interfaces fpga_interfaces)

if (Matlab_FOUND)
    # MATLAB, Linker to libMatlabEngine in link_directories
    target_link_libraries(data_processor MatlabDataArray)
    target_link_libraries(data_processor MatlabEngine)
endif ()

# Python
find_package(PythonLibs)
if (PYTHONLIBS_FOUND)
    message(STATUS "Python found")
    include_directories(${PYTHON_INCLUDE_DIRS})
    target_link_libraries(data_processor ${PYTHON_LIBRARIES})
else ()
    message(STATUS "Python not found")
endif ()

install(TARGETS
        data_processor
        DESTINATION lib/${PROJECT_NAME}
        )

install(
        DIRECTORY launch
        DESTINATION share/${PROJECT_NAME}
)

if (BUILD_TESTING)
    find_package(ament_lint_auto REQUIRED)
    ament_lint_auto_find_test_dependencies()
endif ()

ament_package()

相关图表

图1. C++回调场景下的执行时长（微秒）
图2. Python回调场景下的执行时长（微秒）
图3. C++顺序调用场景下的执行时长（微秒）
图4. Python顺序调用场景下的执行时长（微秒）
图5. Python场景下的周期性执行时长（微秒）

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Alqio

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