Linux -- 在多线程程序中避免False Sharing

1.什么是false sharing

在对称多处理器(SMP)系统中，每个处理器均有属于自己的本地高速缓存区。

如图，CPU0和CPU1有各自的本地高速缓存区(cache)。线程0和线程1会用到不同的变量，它们在内存中彼此相邻。内存以64字节分割高速缓存行，我们假设红色变量与蓝色变量恰好分配在同一条高速缓存行中。CPU如果想要读取变量，会以高速缓存行的形式加载到本地高速缓存区中。这个例子中，CPU0和CPU1加载了同一条高速缓存行。然后线程0修改了红色变量，线程1修改了蓝色变量，这导致了CPU1中红色变量不正常，CPU0中蓝色变量不正常，从而导致高速缓存行无效，并强制内存更新以维持高速缓存的一致性。

2.(intel)如何确保多个CPU中的高速缓存的数据一致性

Intel处理器遵循MESI协议(Modified/Exclusive/Shared/Invalid，修改/独占/共享/无效)。

独占:

首次加载高速缓存行时，处理器将高速缓存行标记为”独占”访问，一旦该高速缓存行被标记为独占，后续加载可以自由使用缓存中的现有数据。

共享:

如果该处理器看到相同的高速缓存行被其它处理器加载到总线上，就会将该高速缓存行标记为”共享”访问。

修改:

如果处理器修改并保存了”共享”的高速缓存行，该缓存行将被标记为”修改”，所有其它处理器会受到一条”无效”的信息。当处理器A看到其它处理器访问标记为”修改”的相同高速缓存，A会将该高速缓存行存回内存，并将其标记为”共享”，其它处理器丢失自己的对应的高速缓存行。

无效:

处理器之间频繁协调，将”修改”的高速缓存行写入内存，然后再加载

3.解决假共享的方法

所有方法的目的都是确保引起false sharing的变量在内存中存放的位置相隔足够远，从而不会驻留在同一个高速缓存行中。

方法1: 使用编译指令强制对齐单个变量。

使用__declspec (align(64))声明变量

例: 单个变量

__declspec (align(64)) int thread1_global_variable;
__declspec (align(64)) int thread2_global_variable;

例: struct

使用int padding[n]确保struct为64或64的倍数

struct ThreadParams
{
    // For the following 4 variables: 4*4 = 16 bytes
    unsigned long thread_id;
    unsigned long v; // Frequent read/write access variable
    unsigned long start;
    unsigned long end;

    // expand to 64 bytes to avoid false-sharing
    // (4 unsigned long variables + 12 padding)*4 = 64
    int padding[12];
};
__declspec (align(64)) struct ThreadParams Array[10];

方法2:使用数据的线程本地拷贝来减少false sharing的频率

struct ThreadParams
{
    // For the following 4 variables: 4*4 = 16 bytes
    unsigned long thread_id;
    unsigned long v; //Frequent read/write access variable
    unsigned long start;
    unsigned long end;
};

threadFunc(void *parameter)
{
    ThreadParams *p = (ThreadParams*) parameter;
    // local copy for read/write access variable
    unsigned long local_v = p->v;
    for(local_v = p->start; local_v < p->end; local_v++)
    {
    // Functional computation
    }
    p->v = local_v; // Update shared data structure only once
}

假设v在这个循环中每一次循环都被修改，那么，每一次修改都将触发false sharing。因此，我们使用线程本地变量local_v，所有的中间修改都在本地完成，仅在p->v = local_v;时更新数据结构

原文见：https://software.intel.com/zh-cn/articles/avoiding-and-identifying-false-sharing-among-threads