CPU utilisation drop when increasing number of threads with `threading`
Chưa có ai nhận issue này.
- Ngôn ngữ chính
- Python
- Star
- 77.2k
- Fork
- 35.9k
- Chỉ số merge pull request
- Chỉ số pull request đang chờ
Mô tả
Bug report
Bug description:
Hi :)
This issue is essentially a re-open of https://github.com/python/cpython/issues/118153, but with some more experiments added.
I'm testing the free-threaded Python build. I'm running a simple test (code below), which triggers a computationally heavy function across CPU cores using threading module. Time measurements of the script are the following:
num_threads = 2 -> 0.68 s
num_threads = 8 -> 5.48 s
num_threads = 18 -> 12.1 s
In ideal world, I believe I could expect the three numbers above to be the same (or comparable). I've also gathered the profiles of the experiment:
num_threads = 2
num_threads = 8
num_threads = 18 (showing only some threads, but the picture illustrates the issue)
As we can see, the CPU utilisation decreases with the number of CPU threads used (almost 99% for nt=2, about 75% for nt=8 and ~40% for nt=18). We also see increased CPU core switching frequency. My guess is that the reason of decreased CPU utilisation is the overhead on the threading module.
Running some further experiments, I've run the program on a high number of threads (thus according to previous observation, the CPU utilisation should be low), but with both busy and idle wait on 10 threads and actual sin*cos computation on 2 threads. In both of these scenarios, we observe high CPU utilisation on worker threads:
idle wait (implemented with time.sleep)
busy wait (implemented with while loop)
Interestingly, zooming-in to be CPU utilisation profile (the "slow" case) we do see that there are parts in the timeline, where CPU is saturated and all threads are working in parallel. However, there are also periods, where CPU utilisation is scattered:
Lastly, as a sanity check, the same operation implemented in C++:
May this be a bug inside threading module? I've went through PEP 703, but I've seen no mention about this part. If the overhead on threading is the root cause of lowered utilisation, may this issue be addressed?
@colesbury , tagging you here since I believe you'd know most about the free-threaded Python build. Should this issue be added to the list in https://github.com/python/cpython/issues/108219?
Testing configuration:
Ubuntu 22.04
Python 3.13 ToT
scaling_governor - performance
CPU(s): 36
On-line CPU(s) list: 0-35
Vendor ID: GenuineIntel
Model name: Intel(R) Core(TM) i9-10980XE CPU @ 3.00GHz
CPython build command:
./configure --disable-gil --enable-optimizations && make -j && make install
Testing script:
import math
import time
import nvtx
import threading
def computational_heavy(iterations):
val = 0
for i in range(1, iterations):
val += math.sin(i) * math.cos(i)
return val
def test(thread_id, iterations=1000000):
with nvtx.annotate("Calculation"):
computational_heavy(iterations)
num_threads = 18
threads = [
threading.Thread(target=test, name=f"Thread{i}", args=(i,))
for i in range(num_threads)
]
start = time.perf_counter_ns()
for t in threads:
t.start()
for t in threads:
t.join()
stop = time.perf_counter_ns()
print(f"Elapsed time {stop-start} ns")
CPython versions tested on:
CPython main branch
Operating systems tested on:
Linux
Hướng dẫn đóng góp
Bắt đầu từ đâu
- Đọc hết issue, rồi đọc hướng dẫn đóng góp của dự án.
- Bình luận trên issue rằng bạn sẽ nhận — tránh hai người làm cùng một việc.
- Fork repository và làm thay đổi trên một nhánh.
- Mở pull request có tham chiếu số hiệu của issue.
Hướng nghiên cứu
Bắt đầu bằng cách tái hiện hành vi free-threaded CPython đã được báo cáo bằng script kiểm thử threading được cung cấp trên cấu hình Linux đã nêu. So sánh kết quả profiler khi số lượng thread thay đổi, sau đó kiểm tra các đường đi runtime threading và free-threaded được các phép đo chỉ ra. Hoàn thành nghĩa là xác định được nguyên nhân của mức sử dụng giảm và xác định được hướng khắc phục đã được xác minh.
Do mô hình lập chỉ mục viết ra từ nội dung của issue.
Đánh giá
- Công nghệ
- python
- Lĩnh vực
- operating-systems, performance
- Loại issue
- Lỗi
- Độ khó
- 5/5
- Thời gian dự kiến
- Hơn một tuần
- Mức độ hoạt động
- Đình trệ
- Độ rõ ràng
- Cần làm rõ
- Mức phù hợp với người mới
- 25/100