CPU 緩存系統中是以緩存行(cache line)爲單位存儲的。目前主流的 CPU Cache 的 Cache Line 大小都是 64 Bytes。在多線程狀況下,若是須要修改「共享同一個緩存行的變量」,就會無心中影響彼此的性能,這就是僞共享(False Sharing)。java
因爲共享變量在 CPU 緩存中的存儲是以緩存行爲單位,一個緩存行能夠存儲多個變量(存滿當前緩存行的字節數);而CPU對緩存的修改又是以緩存行爲最小單位的,那麼就會出現上訴的僞共享問題。緩存
Cache Line 能夠簡單的理解爲 CPU Cache 中的最小緩存單位,今天的 CPU 再也不是按字節訪問內存,而是以 64 字節爲單位的塊(chunk)拿取,稱爲一個緩存行(cache line)。當你讀一個特定的內存地址,整個緩存行將從主存換入緩存,而且訪問同一個緩存行內的其它值的開銷是很小的。微信
因爲 CPU 的速度遠遠大於內存速度,因此 CPU 設計者們就給 CPU 加上了緩存(CPU Cache)。 以避免運算被內存速度拖累。(就像咱們寫代碼把共享數據作Cache不想被DB存取速度拖累同樣),CPU Cache 分紅了三個級別:L1,L2,L3。越靠近CPU的緩存越快也越小。所 以L1 緩存很小但很快,而且緊靠着在使用它的 CPU 內核。L2 大一些,也慢一些,而且仍然只能被一個單獨的 CPU 核使用。L3 在現代多核機器中更廣泛,仍然更大,更慢,而且被單個插槽上的全部 CPU 核共享。最後,你擁有一塊主存,由所有插槽上的全部 CPU 核共享。多線程
當 CPU 執行運算的時候,它先去L1查找所需的數據,再去L2,而後是L3,最後若是這些緩存中都沒有,所需的數據就要去主內存拿。走得越遠,運算耗費的時間就越長。因此若是你在作一些很頻繁的事,你要確保數據在L1緩存中。oracle
目前經常使用的緩存設計是N路組關聯(N-Way Set Associative Cache),他的原理是把一個緩存按照N個 Cache Line 做爲一組(Set),緩存按組劃爲等分。每一個內存塊可以被映射到相對應的set中的任意一個緩存行中。好比一個16路緩存,16個 Cache Line 做爲一個Set,每一個內存塊可以被映射到相對應的 Set 中的16個 CacheLine 中的任意一個。通常地,具備必定相同低bit位地址的內存塊將共享同一個Set。jvm
下圖爲一個2-Way的Cache。由圖中能夠看到 Main Memory 中的 Index 0,2,4 都映射在Way0的不一樣 CacheLine 中,Index 1,3,5都映射在Way1的不一樣 CacheLine 中。性能
多核 CPU 都有本身的專有緩存(通常爲L1,L2),以及同一個 CPU 插槽之間的核共享的緩存(通常爲L3)。不一樣核心的CPU緩存中不免會加載一樣的數據,那麼如何保證數據的一致性呢,就是 MESI 協議了。優化
在 MESI 協議中,每一個 Cache line 有4個狀態,可用 2 個 bit 表示,它們分別是: M(Modified):這行數據有效,數據被修改了,和內存中的數據不一致,數據只存在於本 Cache 中; E(Exclusive):這行數據有效,數據和內存中的數據一致,數據只存在於本 Cache 中; S(Shared):這行數據有效,數據和內存中的數據一致,數據存在於不少 Cache 中; I(Invalid):這行數據無效。this
那麼,假設有一個變量i=3(應該是包括變量i的緩存塊,塊大小爲緩存行大小);已經加載到多核(a,b,c)的緩存中,此時該緩存行的狀態爲S;此時其中的一個核a改變了變量i的值,那麼在覈a中的當前緩存行的狀態將變爲M,b,c核中的當前緩存行狀態將變爲I。以下圖:atom
爲了不因爲 false sharing 致使 Cache Line 從 L1,L2,L3 到主存之間重複載入,咱們可使用數據填充的方式來避免,即單個數據填充滿一個CacheLine。這本質是一種空間換時間的作法。
/*** * 微信公衆號:Java技術棧 **/ import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong; public final class FalseSharing implements Runnable { public final static int NUM_THREADS = 4; // change public final static long ITERATIONS = 500L * 1000L * 1000L; private final int arrayIndex; private static VolatileLong[] longs = new VolatileLong[NUM_THREADS]; static { for (int i = 0; i < longs.length; i++) { longs[i] = new VolatileLong(); } } public FalseSharing(final int arrayIndex) { this.arrayIndex = arrayIndex; } public static void main(final String[] args) throws Exception { final long start = System.nanoTime(); runTest(); System.out.println("duration = " + (System.nanoTime() - start)); } private static void runTest() throws InterruptedException { Thread[] threads = new Thread[NUM_THREADS]; for (int i = 0; i < threads.length; i++) { threads[i] = new Thread(new FalseSharing(i)); } for (Thread t : threads) { t.start(); } for (Thread t : threads) { t.join(); } } public void run() { long i = ITERATIONS + 1; while (0 != --i) { longs[arrayIndex].set(i); } } public static long sumPaddingToPreventOptimisation(final int index) { VolatileLong v = longs[index]; return v.p1 + v.p2 + v.p3 + v.p4 + v.p5 + v.p6; } //jdk7以上使用此方法(jdk7的某個版本oracle對僞共享作了優化) public final static class VolatileLong { public volatile long value = 0L; public long p1, p2, p3, p4, p5, p6; } // jdk7如下使用此方法 public final static class VolatileLong { public long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7; // cache line padding public volatile long value = 0L; public long p8, p9, p10, p11, p12, p13, p14; // cache line padding } }
Java 8 中已經提供了官方的解決方案,Java 8 中新增了一個註解:@sun.misc.Contended
。加上這個註解的類會自動補齊緩存行,須要注意的是此註解默認是無效的,須要在 jvm 啓動時設置 -XX:-RestrictContended
纔會生效。
@sun.misc.Contended public final static class VolatileLong { public volatile long value = 0L; //public long p1, p2, p3, p4, p5, p6;
http://igoro.com/archive/gallery-of-processor-cache-effects/ http://ifeve.com/false-sharing/ http://blog.csdn.net/muxiqingyang/article/details/6615199 https://yq.aliyun.com/articles/62865
@碼農們,大家是怎麼理解和解決僞共享的?歡迎留言!
掃描關注咱們的微信公衆號,乾貨天天更新。