由一道淘宝面试题到False sharing问题

今天在看淘宝之前的一道面试题目，内容是

在高性能服务器的代码中经常会看到类似这样的代码：

typedef union

{

  erts_smp_rwmtx_t rwmtx;

  byte cache_line_align_[ERTS_ALC_CACHE_LINE_ALIGN_SIZE(sizeof(erts_smp_rwmtx_t))];

}erts_meta_main_tab_lock_t;

erts_meta_main_tab_lock_t main_tab_lock[16];

请问其中用来填充的cache_line_align的作用是？

之前有学习到c语言中宏align是内存补齐的作用，那这个不就是cache line补齐？但是啥是cache line？？为啥有这么一步？

1.首先，什么是cache line？

CPU处理指令时，由于“Locality of Reference”原因，需要决定哪些数据需要加载到CPU的缓存中，以及如何预加载。因为不同的处理器有不同的规范，导致这部分工作具有不确定性。在加载的过程中，涉及到一个非常关键的术语：cache line。

cache line是能被cache处理的内存chunks，chunk的大小即为cache line size，典型的大小为32，64及128 bytes. cache能处理的内存大小除以cache line size即为cache line。

了解了cache line，然后再熟悉一下cpu上cache的一些策略

2.cpu上cache的策略

cache entry (cache条目)
包含如下部分
1) cache line : 从主存一次copy的数据大小)
2) tag : 标记cache line对应的主存的地址
3) falg : 标记当前cache line是否invalid, 如果是数据cache, 还有是否dirty

cpu访问主存的规律
1) cpu从来都不直接访问主存, 都是通过cache间接访问主存
2) 每次需要访问主存时, 遍历一遍全部cache line, 查找主存的地址是否在某个cache line中.
3) 如果cache中没有找到, 则分配一个新的cache entry, 把主存的内存copy到cache line中, 再从cache line中读取.

cache中包含的cache entry条目有限, 所以, 必须有合适的cache淘汰策略
一般使用的是LRU策略.
将一些主存区域标记为non-cacheble, 可以提高cache命中率, 降低没用的cache

回写策略
cache中的数据更新后,需要回写到主存, 回写的时机有多种
1) 每次更新都回写. write-through cache
2) 更新后不回写,标记为dirty, 仅当cache entry被evict时才回写
3) 更新后, 把cache entry送如回写队列, 待队列收集到多个entry时批量回写.

cache一致性问题
有两种情况可能导致cache中的数据过期
1) DMA, 有其他设备直接更新主存的数据
2) SMP, 同一个cache line存在多个CPU各自的cache中. 其中一个CPU对其进行了更新.

3.为啥需要cache line 补齐呢？

让我们先看一个例子，

举例:

// 如下代码在SMP环境下存在cache频繁刷新问题

double sum=0.0, sum_local[NUM_THREADS];

#pragma omp parallel num_threads(NUM_THREADS)

{

 int me = omp_get_thread_num();

 sum_local[me] = 0.0;

 #pragma omp for

 for (i = 0; i < N; i++)

 sum_local[me] += x[i] * y[i];

 #pragma omp atomic

 sum += sum_local[me];

}

因为sum_local数组是个全局变量, 多个线程都会访问, 并且, 各个线程访问的地方很接近, 会导致一个线程更新, 其他CPU的cache line失效.

所以在尽量不要让更新频率非常高（例如，计数器）和经常访问的变量分布在同一个cache line中，以避免“cache ping-pong”，亦“false sharing”现象。

OK，为啥需要补齐呢，上面的例子里面多个线程的访问会出现false sharing现象，如果服务器采用这样的，则服务器性能会严重影响，为了解决这个问题，最简单的办法是采用cache line 补齐的方法。

ps：在查找这个面试题的时候，有意思的是我在淘宝核心系统团队博客上发现了对这个题目的解答，我觉得简答的不是很认真，他们是参考一篇外文文献《Avoiding and Identifying False Sharing Among Threads》，这篇文章主要解决在SMP环境下cache line被频繁刷新的的问题。所以只是简单的将大意翻译过来。

将复制过来：

在做多线程程序的时候,为了避免使用锁,我们通常会采用这样的数据结构:根据线程的数目,安排一个数组, 每个线程一个项,互相不冲突. 从逻辑上看这样的设计无懈可击,但是实践的过程我们会发现这样并没有提高速度. 问题在于cpu的cache line. 我们在读主存的时候,数据同时被读到L1,L2中去,而且在L1中是以cache line(通常64)字节为单位的. 每个Core都有自己的L1,L2,所以每个线程在读取自己的项的时候, 也把别人的项读进去, 所以在更新的时候,为了保持数据的一致性, core之间cache要进行同步, 这个会导致严重的性能问题. 这就是所谓的False sharing问题, 有兴趣的同学可以wiki下.

解决方法很简单:
把每个项凑齐cache line的长度,实现隔离.

typedef
union
{

erts_smp_rwmtx_t rwmtx;

byte cache_line_align__[ERTS_ALC_CACHE_LINE_ALIGN_SIZE(

sizeof
(erts_smp_rwmtx_t))];

} erts_meta_main_tab_lock_t;

或者

_declspec (align(64))
int
thread1_global_variable;

__declspec
(align(64))
int
thread2_global_variable;

这就是为什么在高性能服务器中到处看到cache_line_align, 号称是避免cache的trash.

类似valgrind和intel vtune的工具可以做这个层次的性能微调.

（淘宝核心系统博客：
http://rdc.taobao.com/blog/cs/?p=523）

（英文文献资料网址：
http://software.intel.com/en-us/articles/avoiding-and-identifying-false-sharing-among-threads/

或者http://software.intel.com/sites/default/files/m/d/4/1/d/8/3-4-MemMgt_-_Avoiding_and_Identifying_False_Sharing_Among_Threads.pdf）