簡介： NPTL 成為 glibc "正選"線程庫后，它的性能如何受到很多人的關(guān)注。本文就針對NPTL 與 LinuxThreads 的性能比較，以及超線程、內(nèi)核可搶占等特性對線程性能的影響進(jìn)行了全面評測。

一、 前言

在 Linux 2.6.x 內(nèi)核中，調(diào)度性能的改進(jìn)是其中最引人注目的一部分[1]。NPTL（Native Posix Thread Library）[2]使用內(nèi)核的新特性重寫了 Linux 的線程庫，取代歷史悠久而備受爭議的 LinuxThreads[3] 成為 glibc 的首選線程庫。

NPTL 的性能究竟如何？相對 LinuxThreads 又有哪些明顯的改進(jìn)？在對NPTL進(jìn)行全面分析之前，本文針對這兩種線程庫，以及內(nèi)核中"內(nèi)核可搶占"（Preemptible）和超線程（HyperThreading）[4]等特性進(jìn)行了全面的性能評測，結(jié)果表明NPTL絕對值得廣大服務(wù)器系統(tǒng)期待和使用。

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二、 Benchmark

1. 測試平臺

進(jìn)行本測試的硬件平臺為浪潮NF420R服務(wù)器[7]，4個(gè)Hyperthreading-enabled Intel Xeon 2.2G處理器，4G內(nèi)存。Linux選擇了Slackware 9.0發(fā)行版[8]，所使用的內(nèi)核源碼來自 www.kernel.org 。

2. 針對測試：LMBench

lmbench是一個(gè)用于評價(jià)系統(tǒng)綜合性能的多平臺開源benchmark[5]，但其中沒有對線程的支持。其中有兩個(gè)測試進(jìn)程性能的benchmark：lat_proc用于評測進(jìn)程創(chuàng)建和終止的性能，lat_ctx用于評測進(jìn)程切換的開銷。lmbench擁有良好的benchmark結(jié)構(gòu)，只需要修改具體的Target程序（如lat_proc.c和lat_ctx.c），就可以借用lmbench的計(jì)時(shí)、統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)得到我們關(guān)心的線程庫性能的數(shù)據(jù)。

基于lat_proc和lat_ctx的算法，本文實(shí)現(xiàn)了lat_thread和lat_thread_ctx兩個(gè)benchmark。在lat_thread中，lat_proc被改造成使用線程，用pthread_create()替代了fork()，用pthread_join()替代wait()；在lat_thread_ctx中，沿用lat_ctx的評測算法（見lat_ctx手冊頁），將創(chuàng)建進(jìn)程的過程改寫為創(chuàng)建線程，仍然使用管道進(jìn)行通信和同步。

lat_thread null

null參數(shù)表示線程不進(jìn)行任何實(shí)際操作，創(chuàng)建后即刻返回。

lat_thread_ctx -s<size> #threads

size參數(shù)與lat_ctx定義相同，可表示線程的大小（實(shí)際編程時(shí)為分配<size>K數(shù)據(jù)；#threads參數(shù)為線程數(shù)，即參與令牌傳遞的線程總數(shù)，相當(dāng)于程序負(fù)載情況。

3. 綜合測試：Volanomark

volanomark是一個(gè)純java的benchmark，專門用于測試系統(tǒng)調(diào)度器和線程環(huán)境的綜合性能[6]，它建立一個(gè)模擬Client/Server方式的Java聊天室，通過獲取每秒平均發(fā)送的消息數(shù)來評測宿主機(jī)綜合性能（數(shù)值越大性能越好）。Volanomark測試與Java虛擬機(jī)平臺相關(guān)，本文使用Sun Java SDK 1.4.2作為測試用Java平臺，Volanomark版本2.5.0.9。

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三、 測試結(jié)果

測試計(jì)劃中將內(nèi)核分為2.4.26、2.6.6/支持內(nèi)核搶占和2.6.6/不支持內(nèi)核搶占三類；通過配置內(nèi)核以及NF420R的BIOS實(shí)現(xiàn)三類SMP規(guī)模：單處理機(jī)(UP)、4CPU的SMP（SMP4）和打開超線程支持的虛擬8CPU SMP（SMP8*）。內(nèi)核配置和SMP規(guī)模的每一種組合都針對LinuxThreads和NPTL使用lat_thread、lat_thread_ctx和volanomark獲取一組數(shù)據(jù)。由于NPTL無法在2.4.x內(nèi)核上使用，該項(xiàng)數(shù)據(jù)空缺。

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四、 結(jié)果分析

1. LinuxThreads vs NPTL：線程創(chuàng)建/銷毀開銷

使用2.6.6/preemptible內(nèi)核配置下UP和SMP4的測試數(shù)據(jù)獲得下圖：

圖1

在線程創(chuàng)建/銷毀開銷方面，NPTL的改進(jìn)相當(dāng)明顯（降低約600%）。實(shí)際上，NPTL不再像LinuxThreads那樣需要使用用戶級的管理線程來維護(hù)線程的創(chuàng)建和銷毀[9]，因此，很容易理解它在這方面的開銷能夠大幅度降低。

同時(shí)，由圖可見，單CPU下創(chuàng)建線程總是比多CPU下迅速。

2. LinuxThreads vs NPTL：線程切換開銷

同樣使用2.6.6/preemptible內(nèi)核配置下UP和SMP4的數(shù)據(jù)：

圖2

隨著lat_thread_ctx的參與線程增多，不管是哪個(gè)線程庫，單處理機(jī)條件下的線程切換開銷都陡峭上升，而SMP條件下則上升比較平緩。在這方面，LinuxThreads和NPTL表現(xiàn)基本相同。

3. 內(nèi)核影響

圖3


圖4


圖5


圖6

從上面四張圖中我們可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：

• "內(nèi)核可搶占"是Linux對實(shí)時(shí)應(yīng)用提供更好支持的有力保障，但對線程性能影響很小，甚至有一點(diǎn)損失，畢竟搶占鎖的開銷不可忽略；
• 升級內(nèi)核并不會(huì)對LinuxThreads線程庫性能帶來多少變化，因此，對于服務(wù)器系統(tǒng)而言，不能指望僅僅編譯使用新內(nèi)核就能提高性能。

圖7


圖8

從圖3、圖4我們已經(jīng)知道，打開超線程支持對線程創(chuàng)建/銷毀性能幾乎沒有影響，而這兩張圖表也進(jìn)一步說明，超線程技術(shù)對于線程切換開銷也沒有明顯的影響。超線程技術(shù)是CPU內(nèi)部的優(yōu)化技術(shù)，和真正的雙CPU完全不同。大量研究表明，如果沒有內(nèi)核與用戶應(yīng)用相結(jié)合的專門優(yōu)化措施，超線程并不會(huì)帶來很大的性能變化。除非是高負(fù)載綜合服務(wù)器系統(tǒng)（例如繁忙的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)），購買超線支持的CPU并不能帶來多少好處。

4. 綜合性能

圖9

圖9

前面幾節(jié)分析讓我們了解了線程庫性能改進(jìn)的細(xì)節(jié)，通過volanomark測試，我們可以近似得到在綜合應(yīng)用環(huán)境下，特別是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求中線程庫以及內(nèi)核對系統(tǒng)整體性能的影響程度。

圖9綜合了不同內(nèi)核、不同處理機(jī)數(shù)條件下，兩種線程庫的volanomark結(jié)果。從圖中可以觀察到以下三點(diǎn)：

• NPTL能極大提高SMP環(huán)境下服務(wù)器系統(tǒng)的整體性能（超過65%），相對而言，對單處理機(jī)系統(tǒng)影響較小（10%左右）；
• 2.6內(nèi)核的搶占特性對系統(tǒng)性能影響很小（不超過±1%），某些情況下甚至有所下降；
• 超線程技術(shù)在LinuxThreads中的影響是負(fù)面的，在NPTL中是正面的，但影響幅度都很小（5%-6%）。

以上結(jié)論中前兩點(diǎn)與LMBench針對性測試結(jié)果完全吻合，第三點(diǎn)的偏差實(shí)際上反映了超線程技術(shù)對于綜合服務(wù)器環(huán)境還是有一定加速的。

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五、 總結(jié)

我們的評測為廣大Linux用戶，特別是服務(wù)器用戶提供了一點(diǎn)有價(jià)值的參考：

• 如果你的是多處理機(jī)系統(tǒng)，那么毫不猶豫地升級你的內(nèi)核，并記住，一定要同時(shí)升級你的線程庫，它通常與glibc緊密耦合；
• 如果你的系統(tǒng)并沒有實(shí)時(shí)應(yīng)用，不要打開"內(nèi)核可搶占"開關(guān)，它只會(huì)讓你的系統(tǒng)更慢；
• 慎重考慮是否使用超線程技術(shù)，即使你已經(jīng)購買了支持超線程的CPU，有時(shí)關(guān)閉它可能更適合你的需求。

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參考資料

1. [pubb@163.net，2004] Linux 2.6調(diào)度系統(tǒng)分析，IBM DeveloperWorks, www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-kn26sch/index.shtml
2. [Ulrich Drepper，2002] Native Posix Threading Library， people.redhat.com/drepper/nptl-design.pdf
3. [Xavier.Leroy@inria.fr，1996] LinuxThreads線程庫， pauillac.inria.fr/~xleroy/linuxthreads/
4. [Intel Co.，2002]HyperThreading超線程技術(shù)， www.intel.com/technology/hyperthread/
5. [Larry McVoy,lm@bitmover.com，1998]LMbench， www.bitmover.com/lmbench/
6. [volano LLC，2004] Volanomark Benchmark， http://www.volano.com/benchmarks.html
7. [Slackware，1993]Slackware Linux Distribution， www.slackware.com
8. [pubb@163.net，2003] Linux 線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析， www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-thread/index.shtml
9. [jim@2cpu.com，2004] Exploring Hyper-Threading Performance ， http://www.2cpu.com/articles/42_1.html

Linux 線程庫性能測試與分析