现代AMD/Intel CPU下同核心SMT/HT与跨核心线程原子操作竞争性能问询

针对现代AMD Zen2+、Intel Skylake+的消费级/服务器级x86 CPU，同核心的两个SMT/HT线程发生原子操作竞争时的性能，普遍显著优于绑定在不同核心上的线程竞争性能。

核心原因 #

• 缓存一致性开销差异：同SMT线程共享核心的L1、L2缓存，原子操作涉及的缓存行仅需在单个核心内部同步，不需要触发跨核心的MESI缓存一致性RFO（所有权请求）操作，也不需要经过CPU内部的跨核心互联链路（Intel的环形总线、AMD的Infinity Fabric）通信，延迟大幅降低。跨核心竞争时，缓存行需要在多个核心的缓存之间来回迁移，每次竞争都会触发完整的一致性协议交互，开销极高。
• 原子指令硬件实现差异：x86平台带lock前缀的原子指令（如lock inc、lock dec）、隐含锁语义的xchg等指令，在同核心SMT竞争场景下，硬件仅需临时暂停另一个同核心SMT线程的内存操作，完成原子指令后即可恢复，不需要和其他核心做任何交互，执行耗时和无竞争场景差距很小。
• 实测性能差距参考：以单变量原子递增的竞争场景为例，同核心SMT两个线程的操作吞吐量通常是跨核心场景的3_{10倍，操作延迟仅为跨核心场景的1/5}1/3，这个差异在近5年发布的AMD、Intel CPU上表现一致。

补充说明：该结论仅适用于多线程竞争同一个原子变量的场景。如果各线程操作独立的无共享原子变量，没有竞争存在，那么同核心SMT线程会因为共享核心的计算、缓存资源，性能反而低于跨核心部署的线程。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者iam