聊聊伪共享

正文

CPU 如何读写数据的？

先来认识 CPU 的架构，只有理解了 CPU 的 架构，才能更好地理解 CPU 是如何读写数据的，对于现代 CPU 的架构图如下：

可以看到，一个 CPU 里通常会有多个 CPU 核心，比如上图中的 1 号和 2 号 CPU 核心，并且每个 CPU 核心都有自己的 L1 Cache 和 L2 Cache，而 L1 Cache 通常分为 dCache（数据缓存） 和 iCache（指令缓存），L3 Cache 则是多个核心共享的，这就是 CPU 典型的缓存层次。

上面提到的都是 CPU 内部的 Cache，放眼外部的话，还会有内存和硬盘，这些存储设备共同构成了金字塔存储层次。如下图所示：

从上图也可以看到，从上往下，存储设备的容量会越大，而访问速度会越慢。至于每个存储设备的访问延时，你可以看下图的表格：

你可以看到， CPU 访问 L1 Cache 速度比访问内存快 100 倍，这就是为什么 CPU 里会有 L1~L3 Cache 的原因，目的就是把 Cache 作为 CPU 与内存之间的缓存层，以减少对内存的访问频率。

CPU 从内存中读取数据到 Cache 的时候，并不是一个字节一个字节读取，而是一块一块的方式来读取数据的，这一块一块的数据被称为 CPU Line（缓存行），所以 CPU Line 是 CPU 从内存读取数据到 Cache 的单位 。

至于 CPU Line 大小，在 Linux 系统可以用下面的方式查看到，你可以看我服务器的 L1 Cache Line 大小是 64 字节，也就意味着 L1 Cache 一次载入数据的大小是 64 字节 。

那么对数组的加载， CPU 就会加载数组里面连续的多个数据到 Cache 里，因此我们应该按照物理内存地址分布的顺序去访问元素，这样访问数组元素的时候，Cache 命中率就会很高，于是就能减少从内存读取数据的频率， 从而可提高程序的性能。

但是，在我们不使用数组，而是使用单独的变量的时候，则会有 Cache 伪共享的问题，Cache 伪共享问题上是一个性能杀手，我们应该要规避它。

接下来，就来看看 Cache 伪共享是什么？又如何避免这个问题？

现在假设有一个双核心的 CPU，这两个 CPU 核心并行运行着两个不同的线程，它们同时从内存中读取两个不同的数据，分别是类型为 long 的变量 A 和 B，这个两个数据的地址在物理内存上是 连续 的，如果 Cahce Line 的大小是 64 字节，并且变量 A 在 Cahce Line 的开头位置，那么这两个数据是位于 同一个 Cache Line 中 ，又因为 CPU Line 是 CPU 从内存读取数据到 Cache 的单位，所以这两个数据会被同时读入到了两个 CPU 核心中各自 Cache 中。

我们来思考一个问题，如果这两个不同核心的线程分别修改不同的数据，比如 1 号 CPU 核心的线程只修改了 变量 A，或 2 号 CPU 核心的线程的线程只修改了变量 B，会发生什么呢？

分析伪共享的问题

现在我们结合保证多核缓存一致的 MESI 协议，来说明这一整个的过程，如果你还不知道 MESI 协议，你可以看我这篇文章「 10 张图打开 CPU 缓存一致性的大门 」。

①. 最开始变量 A 和 B 都还不在 Cache 里面，假设 1 号核心绑定了线程 A，2 号核心绑定了线程 B，线程 A 只会读写变量 A，线程 B 只会读写变量 B。

②. 1 号核心读取变量 A，由于 CPU 从内存读取数据到 Cache 的单位是 Cache Line，也正好变量 A 和 变量 B 的数据归属于同一个 Cache Line，所以 A 和 B 的数据都会被加载到 Cache，并将此 Cache Line 标记为「独占」状态。

③.  接着，2 号核心开始从内存里读取变量 B，同样的也是读取 Cache Line 大小的数据到 Cache 中，此 Cache Line 中的数据也包含了变量 A 和 变量 B，此时 1 号和 2 号核心的 Cache Line 状态变为「共享」状态。

④. 1 号核心需要修改变量 A，发现此 Cache Line 的状态是「共享」状态，所以先需要通过总线发送消息给 2 号核心，通知 2 号核心把 Cache 中对应的 Cache Line 标记为「已失效」状态，然后 1 号核心对应的 Cache Line 状态变成「已修改」状态，并且修改变量 A。

⑤. 之后，2 号核心需要修改变量 B，此时 2 号核心的 Cache 中对应的 Cache Line 是已失效状态，另外由于 1 号核心的 Cache 也有此相同的数据，且状态为「已修改」状态，所以要先把 1 号核心的 Cache 对应的 Cache Line 写回到内存，然后 2 号核心再从内存读取 Cache Line 大小的数据到 Cache 中，最后把变量 B 修改到 2 号核心的 Cache 中，并将状态标记为「已修改」状态。

所以，可以发现如果 1 号和 2 号 CPU 核心这样持续交替的分别修改变量 A 和 B，就会重复 ④ 和 ⑤ 这两个步骤，Cache 并没有起到缓存的效果，虽然变量 A 和 B 之间其实并没有任何的关系，但是因为同时归属于一个 Cache Line ，这个 Cache Line 中的任意数据被修改后，都会相互影响，从而出现 ④ 和 ⑤ 这两个步骤。

因此，这种因为多个线程同时读写同一个 Cache Line 的不同变量时，而导致 CPU Cache 失效的现象称为 伪共享（ False Sharing ） 。

避免伪共享的方法

因此，对于多个线程共享的热点数据，即经常会修改的数据，应该避免这些数据刚好在同一个 Cache Line 中，否则就会出现为伪共享的问题。

接下来，看看在实际项目中是用什么方式来避免伪共享的问题的。

在 Linux 内核中存在 __cacheline_aligned_in_smp 宏定义，是用于解决伪共享的问题。

从上面的宏定义，我们可以看到：

• 如果在多核（MP）系统里，该宏定义是 __cacheline_aligned ，也就是 Cache Line 的大小；

• 而如果在单核系统里，该宏定义是空的；

因此，针对在同一个 Cache Line 中的共享的数据，如果在多核之间竞争比较严重，为了防止伪共享现象的发生，可以采用上面的宏定义使得变量在 Cache Line 里是对齐的。

举个例子，有下面这个结构体：

结构体里的两个成员变量 a 和 b 在物理内存地址上是连续的，于是它们可能会位于同一个 Cache Line 中，如下图：

所以，为了防止前面提到的 Cache 伪共享问题，我们可以使用上面介绍的宏定义，将 b 的地址设置为 Cache Line 对齐地址，如下：

这样 a 和 b 变量就不会在同一个 Cache Line 中了，如下图：

所以，避免  Cache 伪共享实际上是用空间换时间的思想，浪费一部分 Cache 空间，从而换来性能的提升。

我们再来看一个应用层面的规避方案，有一个 Java 并发框架 Disruptor 使用「字节填充 + 继承」的方式，来避免伪共享的问题。

Disruptor 中有一个 RingBuffer 类会经常被多个线程使用，代码如下：

你可能会觉得 RingBufferPad 类里 7 个 long 类型的名字很奇怪，但事实上，它们虽然看起来毫无作用，但却对性能的提升起到了至关重要的作用。

我们都知道，CPU Cache 从内存读取数据的单位是 CPU Line，一般 64 位 CPU 的 CPU Line 的大小是 64 个字节，一个 long 类型的数据是 8 个字节，所以 CPU 一下会加载 8 个 long 类型的数据。

根据 JVM 对象继承关系中父类成员和子类成员，内存地址是连续排列布局的，因此 RingBufferPad 中的 7 个 long 类型数据作为 Cache Line 前置填充 ，而 RingBuffer 中的 7 个 long 类型数据则作为 Cache Line  后置填充 ，这 14 个 long 变量没有任何实际用途，更不会对它们进行读写操作。

另外，RingBufferFelds 里面定义的这些变量都是 final 修饰的，意味着第一次加载之后不会再修改， 又 由于「前后」各填充了 7 个不会被读写的 long 类型变量，所以无论怎么加载 Cache Line，这整个 Cache Line 里都没有会发生更新操作的数据，于是只要数据被频繁地读取访问，就自然没有数据被换出 Cache 的可能，也因此不会产生伪共享的问题 。