因此,对于多个线程共享的热点数据,即经常会修改的数据,应该避免这些数据刚好在同一个 Cache Line 中,否则就会出现为伪共享的问题。
接下来,看看在实际项目中是用什么方式来避免伪共享的问题的。
在 Linux 内核中存在 __cacheline_aligned_in_smp 宏定义,是用于解决伪共享的问题。
从上面的宏定义,我们可以看到:
如果在多核(MP)系统里,该宏定义是 __cacheline_aligned,也就是 Cache Line 的大小;
而如果在单核系统里,该宏定义是空的;
因此,针对在同一个 Cache Line 中的共享的数据,如果在多核之间竞争比较严重,为了防止伪共享现象的发生,可以采用上面的宏定义使得变量在 Cache Line 里是对齐的。
举个例子,有下面这个结构体:
结构体里的两个成员变量 a 和 b 在物理内存地址上是连续的,于是它们可能会位于同一个 Cache Line 中,如下图:
所以,为了防止前面提到的 Cache 伪共享问题,我们可以使用上面介绍的宏定义,将 b 的地址设置为 Cache Line 对齐地址,如下:
这样 a 和 b 变量就不会在同一个 Cache Line 中了
所以,避免 Cache 伪共享实际上是用空间换时间的思想,浪费一部分 Cache 空间,从而换来性能的提升。
我们再来看一个应用层面的规避方案,有一个 Java 并发框架 Disruptor 使用「字节填充 + 继承」的方式,来避免伪共享的问题。
Disruptor 中有一个 RingBuffer 类会经常被多个线程使用
你可能会觉得 RingBufferPad 类里 7 个 long 类型的名字很奇怪,但事实上,它们虽然看起来毫无作用,但却对性能的提升起到了至关重要的作用。
我们都知道,CPU Cache 从内存读取数据的单位是 CPU Cache Line,一般 64 位 CPU 的 CPU Cache Line 的大小是 64 个字节,一个 long 类型的数据是 8 个字节,所以 CPU 一下会加载 8 个 long 类型的数据。
根据 JVM 对象继承关系中父类成员和子类成员,内存地址是连续排列布局的,因此 RingBufferPad 中的 7 个 long 类型数据作为 Cache Line 前置填充,而 RingBuffer 中的 7 个 long 类型数据则作为 Cache Line 后置填充,这 14 个 long 变量没有任何实际用途,更不会对它们进行读写操作。
另外,RingBufferFelds 里面定义的这些变量都是 final 修饰的,意味着第一次加载之后不会再修改, 又由于「前后」各填充了 7 个不会被读写的 long 类型变量,所以无论怎么加载 Cache Line,这整个 Cache Line 里都没有会发生更新操作的数据,于是只要数据被频繁地读取访问,就自然没有数据被换出 Cache 的可能,也因此不会产生伪共享的问题。