计算机系统

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计算机系统是程序员的知识体系中最基础的理论知识，你越早掌握这些知识，你就能越早享受知识带来的 “复利效应”。

本文是计算机系统系列的第 12 篇文章，完整文章目录请移步到文章末尾~

前言

大家好，我是小彭。

在前面的文章里，我们聊到了 CPU 的高速缓存机制。由于 CPU 和内存的速度差距太大，现代计算机会在两者之间插入一块高速缓存。

然而，CPU 缓存总能提高程序性能吗，有没有什么情况 CPU 缓存反而会成为程序的性能瓶颈？这就是我们今天要讨论的伪共享（False Sharing）。

学习路线图：

  1. 回顾 MESI 缓存一致性协议

由于 CPU 和内存的速度差距太大，为了拉平两者的速度差，现代计算机会在两者之间插入一块速度比内存更快的高速缓存，CPU 缓存是分级的，有 L1 / L2 / L3 三级缓存。

由于单核 CPU 的性能遇到瓶颈（主频与功耗的矛盾），芯片厂商开始在 CPU 芯片里集成多个 CPU 核心，每个核心有各自的 L1 / L2 缓存。其中 L1 / L2 缓存是核心独占的，而 L3 缓存是多核心共享的。为了保证同一份数据在内存和多个缓存副本中的一致性，现代 CPU 会使用 MESI 等缓存一致性协议保证系统的数据一致性。

缓存一致性问题

MESI 协议

现在，我们的问题是：CPU 缓存总能够提高程序性能吗？

  1. 什么是伪共享？

基于局部性原理的应用，CPU Cache 在读取内存数据时，每次不会只读一个字或一个字节，而是一块块地读取，每一小块数据也叫 CPU 缓存行（CPU Cache Line）。

在并行场景中，当多个处理器核心修改同一个缓存行变量时，有 2 种情况：

  • 情况 1 - 修改同一个变量： 两个处理器并行修改同一个变量的情况，CPU 会通过 MESI 机制维持两个核心的缓存中的数据一致性（Conherence）。简单来说，一个核心在修改数据时，需要先向所有核心广播 RFO 请求，将其它核心的 Cache Line 置为 “已失效”。其它核心在读取或写入 “已失效” 数据时，需要先将其它核心 “已修改” 的数据写回内存，再从内存读取；

事实上，多个核心修改同一个变量时，使用 MESI 机制维护数据一致性是必要且合理的。但是多个核心分别访问不同变量时，MESI 机制却会出现不符合预期的性能问题。

  • 情况 2 - 修改不同变量： 两个处理器并行修改不同变量的情况，从程序员的逻辑上看，两个核心没有数据依赖关系，因此每次写入操作并不需要把其他核心的 Cache Line 置为 “已失效”。但从 CPU 的缓存一致性机制上看，由于 CPU 缓存的颗粒度是一个个缓存行，而不是其中的一个个变量。当修改其中的一个变量后，缓存控制机制也必须把其它核心的整个 Cache Line 置为 “已失效”。

在高并发的场景下，核心的写入操作就会交替地把其它核心的 Cache Line 置为失效，强制对方刷新缓存数据，导致缓存行失去作用，甚至性能比串行计算还要低。

这个问题我们就称为伪共享问题。

出现伪共享问题时，有可能出现程序并行执行的耗时比串行执行的耗时还要长。耗时排序： 并行执行有伪共享 > 串行执行 > 并行执行无伪共享。

伪共享性能测试

—— 数据引用自 Github · falseSharing —— MJjainam 著

  1. 缓存行填充

那么，怎么解决伪共享问题呢？其实方法很简单 —— 缓存行填充：

  • 1、分组： 首先需要考虑哪些变量是独立变化的，哪些变量是协同变化的。协同变化的变量放在一组，而无关的变量分到不同组；
  • 2、填充： 在变量前后填充额外的占位变量，避免变量和其他分组的被填充到同一个缓存行中，从而规避伪共享问题。

下面，我们以 Java 为例介绍如何做缓存行填充，在不同 Java 版本上填充的实现方式不同：

  • Java 8 之前

通过填充 long 变量填充 Padding。 网上有的资料会将前置填充和后置填充放在同一个类中， 这是不对的。例如：

错误示例

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java复制代码public class Data {
    long a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7; // 前置填充
    volatile int value;
    long b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7; // 后置填充
}

在 《对象的内存分为哪几个部分？》 这篇文章中，我们分析 Java 对象的内存布局：其中我们提到：“其中，父类声明的实例字段会放在子类实例字段之前，而字段间的并不是按照源码中的声明顺序排列的，而是相同宽度的字段会分配在一起：引用类型 > long/double > int/float > short/char > byte/boolean。”

Java 对象内存布局

因此，上面的代码中，所有填充变量都变成前置填充了，并没有起到填充的效果：

实验验证

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bash复制代码# 使用 JOL 工具输出对象内存布局：
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
		 # 填充无效
     12     4    int Data.value                         0
     16     8   long Data.a1                            0
     24     8   long Data.a2                            0
     32     8   long Data.a3                            0
     40     8   long Data.a4                            0
     48     8   long Data.a5                            0
     56     8   long Data.a6                            0
     64     8   long Data.a7                            0
     72     8   long Data.b1                            0
     80     8   long Data.b2                            0
     88     8   long Data.b3                            0
     96     8   long Data.b4                            0
    104     8   long Data.b5                            0
    112     8   long Data.b6                            0
    120     8   long Data.b7                            0
Instance size: 128 bytes

正确的做法是利用父子类继承来做缓存行填充：

正确示例

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java复制代码public abstract class SuperPadding {
    long a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7; // 前置填充
}

public abstract class DataField extends SuperPadding {
    volatile int value;
}

public class Data extends DataField {
    long b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7; // 后置填充
}

实验验证

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bash复制代码# 使用 JOL 工具输出对象内存布局：
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           bf c1 00 f8 (10111111 11000001 00000000 11111000) (-134168129)
     12     4        (alignment/padding gap)                  
     16     8   long SuperPadding.a1                           0
     24     8   long SuperPadding.a2                           0
     32     8   long SuperPadding.a3                           0
     40     8   long SuperPadding.a4                           0
     48     8   long SuperPadding.a5                           0
     56     8   long SuperPadding.a6                           0
     64     8   long SuperPadding.a7                           0
     72     4    int DataField.value                           0
     76     4        (alignment/padding gap)                  
     80     8   long Data.b1                                   0
     88     8   long Data.b2                                   0
     96     8   long Data.b3                                   0
    104     8   long Data.b4                                   0
    112     8   long Data.b5                                   0
    120     8   long Data.b6                                   0
    128     8   long Data.b7                                   0
Instance size: 136 bytes

缓存行填充

例如，Java 并发框架 Disruptor 就是使用继承的方式实现：

Disruptor · RingBuffer.java

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java复制代码abstract class RingBufferPad {
    protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
}
  
abstract class RingBufferFields<E> extends RingBufferPad {
    // 前置填充：父类的 7 个 long 变量
    ...
    private final long indexMask;
	  private final Object[] entries;
	  protected final int bufferSize;
	  protected final Sequencer sequencer;
    ...
    // 后置填充：子类的 7 个 long 变量
}

public final class RingBuffer<E> extends RingBufferFields<E> implements Cursored, EventSequencer<E>, EventSink<E> {
    protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    ...
}
  • Java 8 开始

@sun.misc.Contended 注解是 JDK 1.8 新增的注解。如果 JVM 开启字节填充功能 -XX:-RestrictContended ，在运行时就会在变量或类前后填充 Padding。
Java 8 Thread.java

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java复制代码 /** The current seed for a ThreadLocalRandom */
@sun.misc.Contended("tlr")
long threadLocalRandomSeed;

/** Probe hash value; nonzero if threadLocalRandomSeed initialized */
@sun.misc.Contended("tlr")
int threadLocalRandomProbe;

/** Secondary seed isolated from public ThreadLocalRandom sequence */
@sun.misc.Contended("tlr")
int threadLocalRandomSecondarySeed;

Java 8 ConcurrentHashMap.java

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java复制代码@sun.misc.Contended static final class CounterCell {
    volatile long value;
    CounterCell(long x) { value = x; }
}
  1. 总结
  • 1、在并行场景中，当多个处理器核心修改同一个缓存行变量时，即使两个变量没有逻辑上的数据依赖性，CPU 缓存一致性机制也会使得两个核心中的缓存交替地失效，拉低程序的性能。这种现象叫伪共享问题；
  • 2、解决伪共享问题的方法是缓冲行填充：在变量前后填充额外的占位变量，避免变量和其他分组的被填充到同一个缓存行中，从而规避伪共享问题。

参考资料

推荐阅读

计算机系统系列完整目录如下（2023/07/11 更新）：

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本文转载自: 掘金

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