Java 中的伪共享详解

本是古典何须时尚 2022-11-15 12:28 194阅读 0赞

## 1. 什么是伪共享 ##

CPU 缓存系统中是以缓存行（cache line）为单位存储的。目前主流的 CPU Cache 的 Cache Line 大小都是 64 Bytes。在多线程情况下，如果需要修改“共享同一个缓存行的变量”，就会无意中影响彼此的性能，这就是伪共享（False Sharing）。

## 2. 缓存行 ##

由于共享变量在 CPU 缓存中的存储是以缓存行为单位，一个缓存行可以存储多个变量（存满当前缓存行的字节数）；而CPU对缓存的修改又是以缓存行为最小单位的，那么就会出现上诉的伪共享问题。

Cache Line 可以简单的理解为 CPU Cache 中的最小缓存单位，今天的 CPU 不再是按字节访问内存，而是以 64 字节为单位的块(chunk)拿取，称为一个缓存行(cache line)。当你读一个特定的内存地址，整个缓存行将从主存换入缓存，并且访问同一个缓存行内的其它值的开销是很小的。

## 3. CPU 的三级缓存 ##

由于 CPU 的速度远远大于内存速度，所以 CPU 设计者们就给 CPU 加上了缓存(CPU Cache)。 以免运算被内存速度拖累。（就像我们写代码把共享数据做Cache不想被DB存取速度拖累一样），CPU Cache 分成了三个级别：L1，L2，L3。越靠近CPU的缓存越快也越小。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 在现代多核机器中更普遍，仍然更大，更慢，并且被单个插槽上的所有 CPU 核共享。最后，你拥有一块主存，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，最后如果这些缓存中都没有，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，你要确保数据在L1缓存中。

## 4. 缓存关联性 ##

目前常用的缓存设计是N路组关联(N-Way Set Associative Cache)，他的原理是把一个缓存按照N个 Cache Line 作为一组（Set），缓存按组划为等分。每个内存块能够被映射到相对应的set中的任意一个缓存行中。比如一个16路缓存，16个 Cache Line 作为一个Set，每个内存块能够被映射到相对应的 Set 中的16个 CacheLine 中的任意一个。一般地，具有一定相同低bit位地址的内存块将共享同一个Set。

## 5. MESI 协议 ##

多核 CPU 都有自己的专有缓存（一般为L1，L2），以及同一个 CPU 插槽之间的核共享的缓存（一般为L3）。不同核心的CPU缓存中难免会加载同样的数据，那么如何保证数据的一致性呢，就是 MESI 协议了。

在 MESI 协议中，每个 Cache line 有4个状态，可用 2 个 bit 表示，它们分别是：  
M(Modified)：这行数据有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本 Cache 中；  
E(Exclusive)：这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本 Cache 中；  
S(Shared)：这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据存在于很多 Cache 中；  
I(Invalid)：这行数据无效。

## 6. 解决原理 ##

为了避免由于 false sharing 导致 Cache Line 从 L1,L2,L3 到主存之间重复载入，我们可以使用数据填充的方式来避免，即单个数据填充满一个CacheLine。这本质是一种空间换时间的做法。