偽共享(False Sharing)
作者：Martin Thompson 譯者：丁一
快取系統中是以快取行（cache line）為單位儲存的。快取行是2的整數冪個連續位元組，一般為32-256個位元組。最常見的快取行大小是64個位元組。當多執行緒修改互相獨立的變數時，如果這些變數共享同一個快取行，就會無意中影響彼此的效能，這就是偽共享。快取行上的寫競爭是執行在SMP系統中並行執行緒實現可伸縮性最重要的限制因素。有人將偽共享描述成無聲的效能殺手，因為從程式碼中很難看清楚是否會出現偽共享。
為了讓可伸縮性與執行緒數呈線性關係，就必須確保不會有兩個執行緒往同一個變數或快取行中寫。兩個執行緒寫同一個變數可以在程式碼中發現。為了確定互相獨立的變數是否共享了同一個快取行，就需要了解記憶體佈局，或找個工具告訴我們。Intel VTune就是這樣一個分析工具。本文中我將解釋Java物件的記憶體佈局以及我們該如何填充快取行以避免偽共享。
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| 圖 1. |
圖1說明了偽共享的問題。在核心1上執行的執行緒想更新變數X，同時核心2上的執行緒想要更新變數Y。不幸的是，這兩個變數在同一個快取行中。每個執行緒都要去競爭快取行的所有權來更新變數。如果核心1獲得了所有權，快取子系統將會使核心2中對應的快取行失效。當核心2獲得了所有權然後執行更新操作，核心1就要使自己對應的快取行失效。這會來來回回的經過L3快取，大大影響了效能。如果互相競爭的核心位於不同的插槽，就要額外橫跨插槽連線，問題可能更加嚴重。
對於HotSpot JVM，所有物件都有兩個字長的物件頭。第一個字是由24位雜湊碼和8位標誌位（如鎖的狀態或作為鎖物件）組成的Mark Word。第二個字是物件所屬類的引用。如果是陣列物件還需要一個額外的字來儲存陣列的長度。每個物件的起始地址都對齊於8位元組以提高效能。因此當封裝物件的時候為了高效率，物件欄位宣告的順序會被重排序成下列基於位元組大小的順序：
- doubles (8) 和 longs (8)
- ints (4) 和 floats (4)
- shorts (2) 和 chars (2)
- booleans (1) 和 bytes (1)
- references (4/8)
- <子類欄位重複上述順序>
為了展示其效能影響，我們啟動幾個執行緒，每個都更新它自己獨立的計數器。計數器是volatile long型別的，所以其它執行緒能看到它們的進展。
public final class FalseSharing
implements Runnable
{
public final static int NUM_THREADS = 4; // change
public final static long ITERATIONS = 500L * 1000L * 1000L;
private final int arrayIndex;
private static VolatileLong[] longs = new VolatileLong[NUM_THREADS];
static
{
for (int i = 0; i < longs.length; i++)
{
longs[i] = new VolatileLong();
}
}
public FalseSharing(final int arrayIndex)
{
this.arrayIndex = arrayIndex;
}
public static void main(final String[] args) throws Exception
{
final long start = System.nanoTime();
runTest();
System.out.println("duration = " + (System.nanoTime() - start));
}
private static void runTest() throws InterruptedException
{
Thread[] threads = new Thread[NUM_THREADS];
for (int i = 0; i < threads.length; i++)
{
threads[i] = new Thread(new FalseSharing(i));
}
for (Thread t : threads)
{
t.start();
}
for (Thread t : threads)
{
t.join();
}
}
public void run()
{
long i = ITERATIONS + 1;
while (0 != --i)
{
longs[arrayIndex].value = i;
}
}
public final static class VolatileLong
{
public volatile long value = 0L;
public long p1, p2, p3, p4, p5, p6; // comment out
}
}
執行上面的程式碼，增加執行緒數以及新增/移除快取行的填充，下面的圖2描述了我得到的結果。這是在我4核Nehalem上測得的執行時間。
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| 圖 2. |
從不斷上升的測試所需時間中能夠明顯看出偽共享的影響。沒有快取行競爭時，我們幾近達到了隨著執行緒數的線性擴充套件。
這並不是個完美的測試，因為我們不能確定這些VolatileLong會佈局在記憶體的什麼位置。它們是獨立的物件。但是經驗告訴我們同一時間分配的物件趨向集中於一塊。
所以你也看到了，偽共享可能是無聲的效能殺手。
注意：更多偽共享相關的內容，請閱讀我後續blog。
