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前言
大家好，我是小彭。
在后面的文章里，咱们聊到了 CPU 的高速缓存机制。因为 CPU 和内存的速度差距太大，古代计算机会在两者之间插入一块高速缓存。
然而，CPU 缓存总能进步程序性能吗，有没有什么状况 CPU 缓存反而会成为程序的性能瓶颈？这就是咱们明天要探讨的伪共享（False Sharing）。
学习路线图：
1. 回顾 MESI 缓存一致性协定
因为 CPU 和内存的速度差距太大，为了拉平两者的速度差，古代计算机会在两者之间插入一块速度比内存更快的高速缓存，CPU 缓存是分级的，有 L1 / L2 / L3 三级缓存。
因为单核 CPU 的性能遇到瓶颈（主频与功耗的矛盾），芯片厂商开始在 CPU 芯片里集成多个 CPU 外围，每个外围有各自的 L1 / L2 缓存。其中 L1 / L2 缓存是外围独占的，而 L3 缓存是多外围共享的。为了保障同一份数据在内存和多个缓存正本中的一致性，古代 CPU 会应用 MESI 等缓存一致性协定保证系统的数据一致性。
缓存一致性问题
MESI 协定
当初，咱们的问题是：CPU 缓存总可能进步程序性能吗？
2. 什么是伪共享？
基于局部性原理的利用，CPU Cache 在读取内存数据时，每次不会只读一个字或一个字节，而是一块块地读取，每一小块数据也叫 CPU 缓存行（CPU Cache Line）。
在并行场景中，当多个处理器外围批改同一个缓存行变量时，有 2 种状况：
- 状况 1 - 批改同一个变量： 两个处理器并行批改同一个变量的状况，CPU 会通过 MESI 机制维持两个外围的缓存中的数据一致性（Conherence）。简略来说，一个外围在批改数据时，须要先向所有外围播送 RFO 申请，将其它外围的 Cache Line 置为 “已生效”。其它外围在读取或写入 “已生效” 数据时，须要先将其它外围 “已批改” 的数据写回内存，再从内存读取；
事实上，多个外围批改同一个变量时，应用 MESI 机制保护数据一致性是必要且正当的。然而多个外围别离拜访不同变量时，MESI 机制却会呈现不合乎预期的性能问题。
- 状况 2 - 批改不同变量： 两个处理器并行批改不同变量的状况，从程序员的逻辑上看，两个外围没有数据依赖关系，因而每次写入操作并不需要把其余外围的 Cache Line 置为 “已生效”。但从 CPU 的缓存一致性机制上看，因为 CPU 缓存的颗粒度是一个个缓存行，而不是其中的一个个变量。当批改其中的一个变量后，缓存管制机制也必须把其它外围的整个 Cache Line 置为 “已生效”。
在高并发的场景下，外围的写入操作就会交替地把其它外围的 Cache Line 置为生效，强制对方刷新缓存数据，导致缓存行失去作用，甚至性能比串行计算还要低。
这个问题咱们就称为伪共享问题。
呈现伪共享问题时，有可能呈现程序并行执行的耗时比串行执行的耗时还要长。耗时排序： 并行执行有伪共享 > 串行执行 > 并行执行无伪共享。
伪共享性能测试
—— 数据援用自 Github · falseSharing —— MJjainam 著
3. 缓存行填充
那么，怎么解决伪共享问题呢？其实办法很简略 —— 缓存行填充：
- 1、分组： 首先须要思考哪些变量是独立变动的，哪些变量是协同变动的。协同变动的变量放在一组，而无关的变量分到不同组；
- 2、填充： 在变量前后填充额定的占位变量，防止变量和其余分组的被填充到同一个缓存行中，从而躲避伪共享问题。
上面，咱们以 Java 为例介绍如何做缓存行填充，在不同 Java 版本上填充的实现形式不同：
- Java 8 之前
通过填充 long 变量填充 Padding。 网上有的材料会将前置填充和后置填充放在同一个类中， 这是不对的。例如：
谬误示例
public class Data { long a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7; // 前置填充 volatile int value; long b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7; // 后置填充}在 《对象的内存分为哪几个局部？》 这篇文章中，咱们剖析 Java 对象的内存布局：其中咱们提到：“其中，父类申明的实例字段会放在子类实例字段之前，而字段间的并不是依照源码中的申明顺序排列的，而是雷同宽度的字段会调配在一起：援用类型 > long/double > int/float > short/char > byte/boolean。”
Java 对象内存布局
因而，下面的代码中，所有填充变量都变成前置填充了，并没有起到填充的成果：
试验验证
# 应用 JOL 工具输入对象内存布局：OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253) # 填充有效 12 4 int Data.value 0 16 8 long Data.a1 0 24 8 long Data.a2 0 32 8 long Data.a3 0 40 8 long Data.a4 0 48 8 long Data.a5 0 56 8 long Data.a6 0 64 8 long Data.a7 0 72 8 long Data.b1 0 80 8 long Data.b2 0 88 8 long Data.b3 0 96 8 long Data.b4 0 104 8 long Data.b5 0 112 8 long Data.b6 0 120 8 long Data.b7 0Instance size: 128 bytes正确的做法是利用父子类继承来做缓存行填充：
正确示例
public abstract class SuperPadding { long a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7; // 前置填充}public abstract class DataField extends SuperPadding { volatile int value;}public class Data extends DataField { long b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7; // 后置填充}试验验证
# 应用 JOL 工具输入对象内存布局：OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) bf c1 00 f8 (10111111 11000001 00000000 11111000) (-134168129) 12 4 (alignment/padding gap) 16 8 long SuperPadding.a1 0 24 8 long SuperPadding.a2 0 32 8 long SuperPadding.a3 0 40 8 long SuperPadding.a4 0 48 8 long SuperPadding.a5 0 56 8 long SuperPadding.a6 0 64 8 long SuperPadding.a7 0 72 4 int DataField.value 0 76 4 (alignment/padding gap) 80 8 long Data.b1 0 88 8 long Data.b2 0 96 8 long Data.b3 0 104 8 long Data.b4 0 112 8 long Data.b5 0 120 8 long Data.b6 0 128 8 long Data.b7 0Instance size: 136 bytes缓存行填充
例如，Java 并发框架 Disruptor 就是应用继承的形式实现：
Disruptor · RingBuffer.java
abstract class RingBufferPad { protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;} abstract class RingBufferFields<E> extends RingBufferPad { // 前置填充：父类的 7 个 long 变量 ... private final long indexMask; private final Object[] entries; protected final int bufferSize; protected final Sequencer sequencer; ... // 后置填充：子类的 7 个 long 变量}public final class RingBuffer<E> extends RingBufferFields<E> implements Cursored, EventSequencer<E>, EventSink<E> { protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7; ...}Java 8 开始
@sun.misc.Contended注解是 JDK 1.8 新增的注解。如果 JVM 开启字节填充性能-XX:-RestrictContended，在运行时就会在变量或类前后填充 Padding。Java 8 Thread.java
/** The current seed for a ThreadLocalRandom */@sun.misc.Contended("tlr")long threadLocalRandomSeed;/** Probe hash value; nonzero if threadLocalRandomSeed initialized */@sun.misc.Contended("tlr")int threadLocalRandomProbe;/** Secondary seed isolated from public ThreadLocalRandom sequence */@sun.misc.Contended("tlr")int threadLocalRandomSecondarySeed;Java 8 ConcurrentHashMap.java
@sun.misc.Contended static final class CounterCell { volatile long value; CounterCell(long x) { value = x; }}4. 总结
- 1、在并行场景中，当多个处理器外围批改同一个缓存行变量时，即便两个变量没有逻辑上的数据依赖性，CPU 缓存一致性机制也会使得两个外围中的缓存交替地生效，拉低程序的性能。这种景象叫伪共享问题；
- 2、解决伪共享问题的办法是缓冲行填充：在变量前后填充额定的占位变量，防止变量和其余分组的被填充到同一个缓存行中，从而躲避伪共享问题。
参考资料
- 深入浅出计算机组成原理（第 37 讲） —— 徐文浩 著，极客工夫 出品
- 字节面：什么是伪共享？ —— 小林 Coding 著
- Be careful when trying to eliminate false sharing in Java —— nitsanw 著
- False Sharing && Java 7 —— Martin Thompson 著
- False sharing —— Wikepedia