22、C++ 并发编程中的缓存优化与内存模型

C++ 并发编程中的缓存优化与内存模型

在并发编程中，代码的性能优化是至关重要的。本文将深入探讨 C++ 中与缓存友好代码、虚假共享、大资源共享以及内存模型相关的内容，帮助你提升代码性能。

1. 缓存友好代码的重要性

在编写代码时，我们希望代码能够达到所需的性能。选择合适的算法和数据结构是让代码表现良好的关键。例如，使用冒泡排序对大型无序数组进行排序就是算法使用不当的常见例子。

从内存层次结构来看，离 RAM 越远、离处理器寄存器越近，操作速度越快，但内存容量越小。每次处理器从 RAM 加载数据到缓存时，可能会等待数据或执行其他无关任务，这会浪费 CPU 周期。

C++ 提供了多种工具来进一步提升性能，如通过硬件指令的预取机制和分支预测优化。即使不进行特殊操作，现代编译器和 CPU 也能很好地运用这些技术，但我们可以通过提供正确的提示、选项和指令来进一步优化。

2. 缓存局部性与缓存友好代码

缓存友好代码的核心在于缓存局部性，它包括两个目标：
- 让频繁使用的数据易于访问 ：这样可以加快处理速度。
- 只在内存中存储必要的数据 ：保持分配的内存量小。例如，存储骰子值（1 - 6）时，使用无符号整数或无符号字符即可，无需使用无符号长整型。

缓存已成为几乎每个系统的重要组成部分。操作系统可以将常用数据（如文件）作为虚拟地址空间的块进行缓存，这就是时间局部性。

当首次在缓存中未找到数据时，会发生缓存未命中（cache miss），此时会从 RAM 中查找并将数据加载到缓存中。后续再次请求该