伪共享FalseShare

2022-04-07 11:34:24 阅读：125 来源： 互联网

标签：缓存 ++ System long FalseShare volatile 共享 CPU

伪共享FalseShare

什么是共享

下图是计算的基本结构。L1、L2、L3分别表示一级缓存、二级缓存、三级缓存，越靠近CPU的缓存，速度越快，容量也越小。所以L1缓存很小但很快，并且紧靠着在使用它的CPU内核；L2大一些，也慢一些，并且仍然只能被一个单独的CPU核使用；L3更大、更慢，并且被单个插槽上的所有CPU核共享；最后是主存，由全部插槽上的所有CPU核共享。

当CPU执行运算的时候，它先去L1查找所需的数据、再去L2、然后是L3，如果最后这些缓存中都没有，所需的数据就要去主内存拿。走得越远，运算耗费的时间就越长。所以如果你在做一些很频繁的事，你要尽量确保数据在L1缓存中。

另外，线程之间共享一份数据的时候，需要一个线程把数据写回主存，而另一个线程访问主存中相应的数据。

下面是从CPU访问不同层级数据的时间概念:

可见CPU读取主存中的数据会比从L1中读取慢了近2个数量级。

缓存行

Cache是由很多个cache line组成的。在程序运行的过程中，缓存每次更新都从主内存中加载连续的64个字节。因此，如果访问一个long类型的数组时，当数组中的一个值被加载到缓存中时，另外7个元素也会被加载到缓存中。但是，如果使用的数据结构中的项在内存中不是彼此相邻的，比如链表，那么将得不到免费缓存加载带来的好处。不过，这种免费加载也有一个坏处。设想如果我们有个long类型的变量a，它不是数组的一部分，而是一个单独的变量，并且还有另外一个long类型的变量b紧挨着它，那么当加载a的时候将免费加载b。看起来似乎没有什么问题，但是如果一个cpu核心的线程在对a进行修改，另一个cpu核心的线程却在对b进行读取。当前者修改a时，会把a和b同时加载到前者核心的缓存行中，更新完a后其它所有包含a的缓存行都将失效，因为其它缓存中的a不是最新值了。而当后者读取b时，发现这个缓存行已经失效了，需要从主内存中重新加载。缓存都是以缓存行作为一个单位来处理的，所以失效a的缓存的同时，也会把b失效，反之亦然。

下面的例子是测试利用cache line的特性和不利用cache line的特性的效果对比。输出结果为：

Loop times:11ms
Loop times:46ms

public class Test {

    static  long[][] arr;

    public static void main(String[] args) {
        arr = new long[1024 * 1024][];
        for (int i = 0; i < 1024 * 1024; i++) {
            arr[i] = new long[8];
            for (int j = 0; j < 8; j++) {
                arr[i][j] = 0L;
            }
        }
        long sum = 0L;
        long marked = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 1024 * 1024; i+=1) {
            for(int j =0; j< 8;j++){
                sum = arr[i][j];
            }
        }
        System.out.println("Loop times:" + (System.currentTimeMillis() - marked) + "ms");

        marked = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 8; i+=1) {
            for(int j =0; j< 1024 * 1024;j++){
                sum = arr[j][i];
            }
        }
        System.out.println("Loop times:" + (System.currentTimeMillis() - marked) + "ms");
    }
}

如何避免伪共享

以以下代码为例：

不做处理的情况：用时2519ms

public class FalseSharingTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        testPointer(new Pointer());
    }

    private static void testPointer(Pointer pointer) throws InterruptedException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
                pointer.x++;
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
                pointer.y++;
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
        System.out.println(pointer);
    }
}

class Pointer {
    volatile long x;
    volatile long y;
}

1）让不同线程操作的对象处于不同的缓存行

可以进行缓存行填充（Padding）。例如，如果一条缓存行有 64 字节，而 Java 程序的对象头固定占 8 字节(32位系统)或 12 字节( 64 位系统默认开启压缩, 不开压缩为 16 字节)，所以我们只需要填 6 个无用的长整型补上6*8=48字节，让不同的 VolatileLong 对象处于不同的缓存行，就避免了伪共享( 64 位系统超过缓存行的 64 字节也无所谓，只要保证不同线程不操作同一缓存行就可以)。

用时599ms

class Pointer {
    volatile long x;
    long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    volatile long y;
}

2）使用@sun.misc.Contended注解（java8）

@sun.misc.Contended 是 Java 8 新增的一个注解，对某字段加上该注解则表示该字段会单独占用一个缓存行（Cache Line）。

这里的缓存行是指 CPU 缓存（L1、L2、L3）的存储单元，常见的缓存行大小为 64 字节。

（注：JVM 添加 -XX:-RestrictContended 参数后 @sun.misc.Contended 注解才有效）

用时613ms，这种方式不加-XX:-RestrictContended也可以使用，没有搞明白为什么。

@sun.misc.Contended
class Pointer {
    volatile long x;
    volatile long y;
}

或者：（用时613ms）

class Pointer {
    @sun.misc.Contended
    volatile long x;
    @sun.misc.Contended
    volatile long y;
}

伪共享并不是一定要解决

解决伪共享主要适用于频繁写的共享数据上。如果不是频繁写的数据，那么 CPU 缓存行被锁的几率就不多，所以没必要使用了，否则不仅占空间还会浪费 CPU 访问操作数据的时间。

标签：缓存,++,System,long,FalseShare,volatile,共享,CPU
来源： https://www.cnblogs.com/aslanvon/p/16111440.html

本站声明： 1. iCode9 技术分享网（下文简称本站）提供的所有内容，仅供技术学习、探讨和分享；
2. 关于本站的所有留言、评论、转载及引用，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关；
3. 关于本站的所有言论和文字，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关；
4. 本站文章均是网友提供，不完全保证技术分享内容的完整性、准确性、时效性、风险性和版权归属；如您发现该文章侵犯了您的权益，可联系我们第一时间进行删除；
5. 本站为非盈利性的个人网站，所有内容不会用来进行牟利，也不会利用任何形式的广告来间接获益，纯粹是为了广大技术爱好者提供技术内容和技术思想的分享性交流网站。

ICode9

伪共享FalseShare