C# golang 开10000个无限循环的性能

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问题

作者：知乎用户fLP2gX
链接：https://www.zhihu.com/question/634840187/answer/3328710757
来源：知乎
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最近遇见个需求，需要开2000个线程无限循环，每个循环有sleep(1),这个在其他语言很容易实现，在c#中就很难了，我试过task.delay(1)直接一秒钟10次gc。今天有空测试下多种语言的协程，都是开10000个协程无限循环，中间有个sleep(15ms)， cpu使用率rust 40%，golang 3%，c# 16%，都是release，把我搞不自信了。cpu是11代i5 ，rust的开销简直无法忍受。为了严谨测试了系统线程，cpu使用率43%

rust代码

static NUM: i64 = 0;
async fn fff() {
    let t = tokio::time::Duration::from_millis(15);
    loop {
        tokio::time::sleep(t).await;
        if NUM > 1000 {
            println!("大于");
        }
    }
}
#[tokio::main]
async fn main() {
    let mut i = 0;
    while i < 10000 {
        tokio::task::spawn(fff());
        i = i + 1;
    }
    println!("over");
    let mut s = String::new();
    std::io::stdin().read_line(&mut s).unwrap();
}

go代码

package main
import (
	"fmt"
	"time"
)
var AAA int
func fff() {
	for {
		time.Sleep(time.Millisecond * 15)
		if AAA > 10000 {
			fmt.Println("大于")
		}
	}
}
func main() {
	for i := 0; i < 10000; i++ {
		go fff()
	}
	fmt.Println("begin")
	var s string
	fmt.Scanln(&s)
}

c#代码

internal class Program
{
    static Int64 num = 0;
    static async void fff()
    {
        while (true)
        {
            await Task.Delay(15);
            if (num > 100000)
                Console.WriteLine("大于");
        }
    }
    static void Main()
    {
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
            fff();
        Console.WriteLine("begin");
        Console.ReadLine();
    }
}

我的测试

我使用Task.Delay测试，发现速度只有30多万次/秒，然后CPU占用达到30%。
然后我又上网了找了一个时间轮算法HashedWheelTimer，使用它的Delay，经过调参，速度可以达到50多万次/秒，达到了题主的要求，但CPU占用依然高达30%。我不知道是不是我找的这个HashedWheelTimer写的不好。

我的尝试

如下代码勉强达到了题主的要求，速度可以达到50多万次/秒，CPU占用8%，比go的3%要高一些，但比用Task.Delay要好很多了。但有个缺点，就是任务延迟可能会高达500毫秒。

int num = 0;

async void func(int i)
{
    int n = 25; // 无延迟干活次数
    int m = 1; // 干n次活，m次延迟干活
    int t = 500; // 延迟干活时间，根据具体业务设置可以接受的延迟时间
    long count = 0;
    while (true)
    {
        if (count < n)
        {
            await Task.CompletedTask;
        }
        else if (count < n + m)
        {
            await Task.Delay(t); // 循环执行了若干次，休息一会，把机会让给其它循环，毕竟CPU就那么多
        }
        else
        {
            count = 0;
        }
        count++;

        Interlocked.Increment(ref num); // 干活
    }
}

for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
    func(i);
}

_ = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
    while (true)
    {
        Thread.Sleep(5000);
        double speed = num / sw.Elapsed.TotalSeconds;
        Console.WriteLine($"10000个循环干活总速度={speed:#### ####.0} 次/秒");
    }
}, TaskCreationOptions.LongRunning);

Console.WriteLine("begin");
Console.ReadLine();

再次尝试

using System.Collections.Concurrent;
using System.Diagnostics;
using System.Runtime.CompilerServices;

int num = 0;
MyTimer myTimer = new MyTimer(15, 17000);

async void func(int i)
{
    while (true)
    {
        await myTimer.Delay();
        // Console.WriteLine($"{DateTime.Now:yyyy-MM-dd HH:mm:ss.ffff} - {i}");

        Interlocked.Increment(ref num); // 干活
    }
}

for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
    func(i);
}

_ = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
    while (true)
    {
        Thread.Sleep(5000);
        double speed = num / sw.Elapsed.TotalSeconds;
        Console.WriteLine($"10000个循环干活总速度={speed:#### ####.0} 次/秒");
    }
}, TaskCreationOptions.LongRunning);

Console.WriteLine("开始");
Console.ReadLine();
myTimer.Dispose();

class MyTimer : IDisposable
{
    private int _interval;
    private Thread _thread;
    private bool _threadRunning = false;
    private ConcurrentQueue<MyAwaiter> _queue;

    /// <summary>
    /// Timer
    /// </summary>
    /// <param name="interval">时间间隔</param>
    /// <param name="parallelCount">并行数量，建议小于或等于循环次数</param>
    public MyTimer(int interval, int parallelCount)
    {
        _interval = interval;
        _queue = new ConcurrentQueue<MyAwaiter>();
        _threadRunning = true;

        _thread = new Thread(() =>
        {
            while (_threadRunning)
            {
                for (int i = 0; i < parallelCount; i++)
                {
                    if (_queue.TryDequeue(out MyAwaiter myAwaiter))
                    {
                        myAwaiter.Run();
                    }
                }

                Thread.Sleep(_interval);
            }
        });
        _thread.Start();
    }

    public MyAwaiter Delay()
    {
        MyAwaiter awaiter = new MyAwaiter(this);
        _queue.Enqueue(awaiter);
        return awaiter;
    }

    public void Dispose()
    {
        _threadRunning = false;
    }
}

class MyAwaiter : INotifyCompletion
{
    private MyTimer _timer;

    private Action _continuation;

    private object _lock = new object();

    public bool IsCompleted { get; private set; }

    public MyAwaiter(MyTimer timer)
    {
        _timer = timer;
    }

    public void OnCompleted(Action continuation)
    {
        lock (_lock)
        {
            _continuation = continuation;
            if (IsCompleted)
            {
                _continuation.Invoke();
            }
        }
    }

    public void Run()
    {
        lock (_lock)
        {
            IsCompleted = true;
            _continuation?.Invoke();
        }
    }

    public MyAwaiter GetAwaiter()
    {
        return this;
    }

    public object GetResult()
    {
        return null;
    }

}

时间轮算法有点难写，我还没有掌握，换了一种写法，达到了题主的要求，速度可以达到50多万次/秒，CPU占用3%。但有缺点，MyTimer用完需要Dispose，有个并行度参数parallelCount需要根据测试代码中for循环次数设置，设置为for循环次数的1.7倍，这个参数很讨厌，再一个就是Delay时间设置了15毫秒，但是不精确，实际任务延迟可能会超出15毫秒，或者小于15毫秒，当然这里假设计时器是精确的，实际上计时器误差可能到达10毫秒，这里认为它是精确无误差的，在这个前提下，任务执行间隔不精确，但比上次尝试，最大延迟500毫秒应该要好很多。
本人水平有限，写的匆忙，但我感觉这个问题还是很重要的。问题简单来说就是大量Task.Delay会导致性能问题，有没有更高效的Delay实现？
注意，和时间轮算法所面对的需求可能并不一样，这里是为了实现高性能的Delay，而不是为了实现简化版的Quartz。

自己写复杂的东西很容易写出事

有一段代码我是这么写的：

public void OnCompleted(Action continuation)
{
    _continuation = continuation;
}

public void Run()
{
    IsCompleted = true;
    _continuation?.Invoke();
}

然后在某些场景下测试就出事了，我默默改成了：

public void OnCompleted(Action continuation)
{
    _continuation = continuation;
    if (IsCompleted)
    {
        Interlocked.Exchange(ref _continuation, null)?.Invoke();
    }
}

public void Run()
{
    IsCompleted = true;
    Interlocked.Exchange(ref _continuation, null)?.Invoke();
}

但是这个代码，在特定场景下依然不靠谱，测试代码部分改动如下：

int num = 0;
MyTimer myTimer = new MyTimer(15, 2000);
ThreadPool.SetMaxThreads(2300, 2300);
ThreadPool.SetMinThreads(2200, 2200);

async void func(int i)
{
    while (true)
    {
        await myTimer.Delay();
        // Console.WriteLine($"{DateTime.Now:yyyy-MM-dd HH:mm:ss.ffff} - {i}");

        await Task.Run(() =>
        {
            Thread.Sleep(100);
            Interlocked.Increment(ref num); // 干活
        });
    }
}

for (int i = 0; i < 2000; i++)
{
    func(i);
}

然后又出事了，await myTimer.Delay()换成Task.Delay(15)就正常。但是我就不知道原因了。在测试过程中，有一些循环跑着跑着就停止了，我抄的大牛写的代码，按说应该不存在线程安全问题了吧，但还是不行。
Task.Delay靠谱是靠谱，但是CPU占用高，因为每一个Delay都会创建一个Timer，大量Delay会占用较多CPU。
再改一下：

public void OnCompleted(Action continuation)
{
    lock (_lock)
    {
        _continuation = continuation;
        if (IsCompleted)
        {
            _continuation.Invoke();
        }
    }
}

public void Run()
{
    lock (_lock)
    {
        IsCompleted = true;
        _continuation?.Invoke();
    }
}

bug没有重现了。

C# golang 开10000个无限循环的性能

问题

rust代码

go代码

c#代码

我的测试

我的尝试

再次尝试

自己写复杂的东西很容易写出事

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