java高并发核心要点|系列5|CPU内存伪共享

上节提到的：伪共享，今天我们来说说。

那什么是伪共享呢？

这得从CPU的缓存结构说起。以下如图，CPU一般来说是有三级缓存，1 级，2级，3级，越上面的，越靠近CPU的，速度越快，成本也越高。也就是说速度方面：1级>2级>3级。

图1

图2

如上图2我们来看看不同级别的缓存的时延：

到CPU的延迟	CPU时钟	耗时
主内存	很多(Multiple)	~60-80 ns
L3 缓存	~40-45 周期	~15 ns
L2 缓存	~10 周期	~3 ns
L1 缓存	~3-4 周期	~1 ns
寄存器	一周期	小于1ns，飞快

更多CPU架构信息：https://blog.csdn.net/karamos/article/details/80126704

说到这里，我们要理解一个很重要的概念：缓存行。什么是缓存行？

首先我们来看这几级缓存，其中，1，2级缓存是CPU核心私有的，也就是说每个核，之间不会共享1，2级缓存，那它们之间怎么通信或共享数据呢？

答案是：3级缓存，如下图：

那core1,和core2之间，是通过什么方式共享缓存呢？

答案是：缓存行!

什么是缓存行？简单来说，就是CPU内核之间共享数据的最小单位。如下图：x,y是在同一个缓存行，那每次CPU内核之间通信时交换x,y值，可以同时共享两个值。是不是很高效？

是的，一般情况下，如果x,y是属于数组内的数据 ，是可以达到高效共享数据的功能，但问题又来了：如果，x,y并不属于同一数组，x属于core1,而y属于core2，这个时候，如果core1更新了x,会导致y值失效了。为什么失效了，因为他们在同一缓存行。这时，只有把缓存行 flush到主存后, 其他内核中的相应的缓存行才会被置为过期数据,而缓存行什么时候flush到memory, 这个是有一定延时的 ,在这个延时当中, 其他CPU core是无法得知你的更新的 。那么内核core2再去读取Y的值时，由于L1的缓存里的数据已失效，那么就需要从L3获取，然后放入L2，再放入L1。 这样核心2读取Y值就需要从L3级的缓存读了。但是明明是内核core1修改的X的值，却影响到内核2去读取Y值了。同理，如果是内核2去修改Y的值，也会影响内核1去读取X的值。

简单来说，x,y同放在缓存行，而且它们又属于不同CPU内核的数据值(事实上CPU内核也就是代码中的：线程)。那就会因为各自更新其中一个值，而导致缓存失效。

这就是著名的伪共享问题。

有没有什么解决方案呢？

有的。

方案是：缓存行填充。

还是回到上面的例子，如果x,y同放到同一个缓存行，会造成伪共享。很简单，那就不要放在一起好了！

比如：x有8byte(字节),而一般缓存行总共有64byte。那其他剩下的位置，我们就用预定的空变量填充就行了，代码如下 （java6版本）：

  public final static class VolatileLong {
        public volatile long x= 0L;
        public long p1, p2, p3, p4, p5, p6,p7;     //缓存行填充
    }

这个时候，core1更新x值，也就不会影响y值，从而造成伪共享问题。

上面的代码是java6的解决方案。

JAVA 8下的方案

在JAVA 8中，缓存行填充终于被JAVA原生支持了。JAVA 8中添加了一个@Contended的注解，添加这个的注解，将会在自动进行缓存行填充，如下代码：

import sun.misc.Contended;

@Contended
public class VolatileLong {
    public volatile long value = 0L;  
}

执行时，必须加上虚拟机参数-XX:-RestrictContended，@Contended注释才会生效。很多文章把这个漏掉了，那样的话实际上就没有起作用。

这就是伪共享的解决方案，多么简单！

本系列完毕！

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