CPU 如何讀寫數(shù)據(jù)的？
先來認(rèn)識(shí)一下 CPU 的架構(gòu)
一個(gè) CPU 里通常會(huì)有多個(gè) CPU 核心，并且每個(gè) CPU 核心都有自己的 L1 Cache 和 L2 Cache，而 L1 Cache 通常分為（數(shù)據(jù)緩存）和（指令緩存），L3 Cache 則是多個(gè)核心共享的，這就是 CPU 典型的緩存層次。
上面提到的都是 CPU 內(nèi)部的 Cache，放眼外部的話，還會(huì)有內(nèi)存和硬盤，這些存儲(chǔ)設(shè)備共同構(gòu)成了金字塔存儲(chǔ)層次。如下圖所示：
從上圖也可以看到，從上往下，存儲(chǔ)設(shè)備的容量會(huì)越大，而訪問速度會(huì)越慢。
CPU 訪問 L1 Cache 速度比訪問內(nèi)存快 100 倍，這就是為什么 CPU 里會(huì)有 L1~L3 Cache 的原因，目的就是把 Cache 作為 CPU 與內(nèi)存之間的緩存層，以減少對(duì)內(nèi)存的訪問頻率。
CPU 從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)到 Cache 的時(shí)候，并不是一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)讀取，而是一塊一塊的方式來讀取數(shù)據(jù)的，這一塊一塊的數(shù)據(jù)被稱為 CPU Cache Line（緩存塊），所以 CPU Cache Line 是 CPU 從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)到 Cache 的單位。
至于 CPU Cache Line 大小，在 linux 系統(tǒng)可以用下面的方式查看到，你可以看我服務(wù)器的 L1 Cache Line 大小是 64 字節(jié)，也就意味著 L1 Cache 一次載入數(shù)據(jù)的大小是 64 字節(jié)。
那么對(duì)數(shù)組的加載， CPU 就會(huì)加載數(shù)組里面連續(xù)的多個(gè)數(shù)據(jù)到 Cache 里，因此我們應(yīng)該按照物理內(nèi)存地址分布的順序去訪問元素，這樣訪問數(shù)組元素的時(shí)候，Cache 命中率就會(huì)很高，于是就能減少?gòu)膬?nèi)存讀取數(shù)據(jù)的頻率， 從而可提高程序的性能。
但是，在我們不使用數(shù)組，而是使用單獨(dú)的變量的時(shí)候，則會(huì)有 Cache 偽共享的問題，Cache 偽共享問題上是一個(gè)性能殺手，我們應(yīng)該要規(guī)避它。
接下來，就來看看 Cache 偽共享是什么？又如何避免這個(gè)問題？
Cache 偽共享
現(xiàn)在假設(shè)有一個(gè)雙核心的 CPU，這兩個(gè) CPU 核心并行運(yùn)行著兩個(gè)不同的線程，它們同時(shí)從內(nèi)存中讀取兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)，分別是類型為 long 的變量 A 和 B，這個(gè)兩個(gè)數(shù)據(jù)的地址在物理內(nèi)存上是連續(xù)的，如果 Cahce Line 的大小是 64 字節(jié)，并且變量 A 在 Cahce Line 的開頭位置，那么這兩個(gè)數(shù)據(jù)是位于同一個(gè) Cache Line 中，又因?yàn)?CPU Cache Line 是 CPU 從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)到 Cache 的單位，所以這兩個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)被同時(shí)讀入到了兩個(gè) CPU 核心中各自 Cache 中。
我們來思考一個(gè)問題，如果這兩個(gè)不同核心的線程分別修改不同的數(shù)據(jù)，比如 1 號(hào) CPU 核心的線程只修改了 變量 A，或 2 號(hào) CPU 核心的線程的線程只修改了變量 B，會(huì)發(fā)生什么呢？
分析偽共享的問題
現(xiàn)在我們結(jié)合保證多核緩存一致的 MESI 協(xié)議，來說明這一整個(gè)的過程。
最開始變量 A 和 B 都還不在 Cache 里面，假設(shè) 1 號(hào)核心綁定了線程 A，2 號(hào)核心綁定了線程 B，線程 A 只會(huì)讀寫變量 A，線程 B 只會(huì)讀寫變量 B。
1 號(hào)核心讀取變量 A，由于 CPU 從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)到 Cache 的單位是 Cache Line，也正好變量 A 和 變量 B 的數(shù)據(jù)歸屬于同一個(gè) Cache Line，所以 A 和 B 的數(shù)據(jù)都會(huì)被加載到 Cache，并將此 Cache Line 標(biāo)記為「獨(dú)占」?fàn)顟B(tài)。
接著，2 號(hào)核心開始從內(nèi)存里讀取變量 B，同樣的也是讀取 Cache Line 大小的數(shù)據(jù)到 Cache 中，此 Cache Line 中的數(shù)據(jù)也包含了變量 A 和 變量 B，此時(shí) 1 號(hào)和 2 號(hào)核心的 Cache Line 狀態(tài)變?yōu)椤腹蚕怼範(fàn)顟B(tài)。
1 號(hào)核心需要修改變量 A，發(fā)現(xiàn)此 Cache Line 的狀態(tài)是「共享」?fàn)顟B(tài)，所以先需要通過總線發(fā)送消息給 2 號(hào)核心，通知 2 號(hào)核心把 Cache 中對(duì)應(yīng)的 Cache Line 標(biāo)記為「已失效」?fàn)顟B(tài)，然后 1 號(hào)核心對(duì)應(yīng)的 Cache Line 狀態(tài)變成「已修改」?fàn)顟B(tài)，并且修改變量 A。
之后，2 號(hào)核心需要修改變量 B，此時(shí) 2 號(hào)核心的 Cache 中對(duì)應(yīng)的 Cache Line 是已失效狀態(tài)，另外由于 1 號(hào)核心的 Cache 也有此相同的數(shù)據(jù)，且狀態(tài)為「已修改」?fàn)顟B(tài)，所以要先把 1 號(hào)核心的 Cache 對(duì)應(yīng)的 Cache Line 寫回到內(nèi)存，然后 2 號(hào)核心再?gòu)膬?nèi)存讀取 Cache Line 大小的數(shù)據(jù)到 Cache 中，最后把變量 B 修改到 2 號(hào)核心的 Cache 中，并將狀態(tài)標(biāo)記為「已修改」?fàn)顟B(tài)。
所以，可以發(fā)現(xiàn)如果 1 號(hào)和 2 號(hào) CPU 核心這樣持續(xù)交替的分別修改變量 A 和 B，就會(huì)重復(fù) ④ 和 ⑤ 這兩個(gè)步驟，Cache 并沒有起到緩存的效果，雖然變量 A 和 B 之間其實(shí)并沒有任何的關(guān)系，但是因?yàn)橥瑫r(shí)歸屬于一個(gè) Cache Line ，這個(gè) Cache Line 中的任意數(shù)據(jù)被修改后，都會(huì)相互影響，從而出現(xiàn) ④ 和 ⑤ 這兩個(gè)步驟。
因此，當(dāng)多線程修改互相獨(dú)立的變量時(shí)，如果這些變量共享同一個(gè)緩存行，就會(huì)無意中影響彼此的性能，這就是偽共享。
如何避免
舉個(gè)栗子
public class FalseSharingTest {
public static void mAIn(String[] args) throws InterruptedException {
testPointer(new Pointer());
}
private static void testPointer(Pointer pointer) throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
pointer.x++;
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
pointer.y++;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
System.out.println(pointer);
}
}
class Pointer {
volatile long x;
volatile long y;
}
上面這個(gè)例子，我們聲明了一個(gè)Pointer的類，它包含了x和y兩個(gè)變量（必須聲明為volatile，保證可見性），一個(gè)線程對(duì)x進(jìn)行自增1億次，一個(gè)線程對(duì)y進(jìn)行自增1億次。
可以看到，x和y完全沒有任何關(guān)系，但是更新x的時(shí)候會(huì)把其它包含x的緩存行失效，同時(shí)y也就失效了，運(yùn)行這段程序輸出的時(shí)間為3890ms。
偽共享的原理我們知道了，一個(gè)緩存行是64字節(jié)，一個(gè)long類型是8個(gè)字節(jié)，所以避免偽共享也很簡(jiǎn)單，大概有以下三種方式：
（1）在兩個(gè)long類型的變量之間再加7個(gè)long類型
我們把上面的pointer改成下面這個(gè)結(jié)構(gòu)
class Pointer {
volatile long x;
long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
volatile long y;
}
再次運(yùn)行程序，會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出時(shí)間神奇的縮短為695ms
（2）重新創(chuàng)建自己的long類型，而不是JAVA自帶的long修改Pointer如下
class Pointer {
MyLong x = new MyLong();
MyLong y = new MyLong();
}
class MyLong {
volatile long value;
long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
}
同時(shí)把pointer.x++改為pointer.x.value++;等，再次運(yùn)行程序發(fā)現(xiàn)時(shí)間是724ms，這樣本質(zhì)上還是填充。所以，避免 Cache 偽共享實(shí)際上是用空間換時(shí)間的思想，浪費(fèi)一部分 Cache 空間，從而換來性能的提升。
（3）使用@sun.misc.Contended注解（java8）
修改MyLong如下：
@sun.misc.Contended
class MyLong {
volatile long value;
}
默認(rèn)使用這個(gè)注解是無效的，需要在JVM啟動(dòng)參數(shù)加上-XX:-RestrictContended才會(huì)生效,再次運(yùn)行程序發(fā)現(xiàn)時(shí)間是718ms。注意，以上三種方式中的前兩種是通過加字段的形式實(shí)現(xiàn)的，加的字段又沒有地方使用，可能會(huì)被jvm優(yōu)化掉，所以建議使用第三種方式。
Java 并發(fā)框架 Disruptor 使用「字節(jié)填充 + 繼承」的方式，來避免偽共享的問題。感興趣的同學(xué)可以自己去學(xué)習(xí)了解一下。
