伪共享以及对应的解决办法

声明：关于概念相关的部分，本文不会着重讲述，请参阅列出的参考文档

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一、什么是伪共享

• 什么是缓存行
  众所周知，CPU有缓存，CPU会从主存中读取数据到缓存中，而读取的单元大小便是一个缓存行大小，如果两个数据在同一个读取单元上，则他们会被读取到CPU的同一个缓存行上。同理，将缓存数据刷新到主存也是同样的道理。总之，缓存行就是这么一个单元化的东西。
• 缓存行与伪共享的关系
  如果两个变量存在于内存的同一个缓存行上，这时A线程需要对内存上的A变量进行操作，而B线程要对内存上的B变量进行操作，不管谁先操作，谁都要先对该部分内存区域进行锁定（如果不这样，假设A先一步将操作结果刷新到主存，而B后一步刷新到主存，B只修改了变量B，A变量还是原来的，这样当整个缓存行刷回去时就会把A线程所做的操作全部覆盖掉了），锁定了之后，B只能够等待A把缓存内容刷新回去了再进行操作，这就浪费了大量时间。至于为什么把这种现象称为“伪共享”，是因为A和B变量表面上看似乎是独立操作的，应该不存在并发问题，但是仅仅因为他们共同存在于一个缓存行，就造成了和普通并发一样的问题（即需要锁来控制操作顺序）。

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二、一个发生了伪共享的代码示例

该段代码将会创建两个线程，两个线程将会同时操作一个对象，只不过t1线程操作对象的v1域，而t2线程操作对象的v2域，两个操作都将执行10亿次。

• Target

public class Target implements  BaseTarget{
    private volatile long v1;
    private volatile long v2;

    @Override
    public void setV1(long v1) {
        this.v1 = v1;
    }

    @Override
    public void setV2(long v2) {
        this.v2 = v2;
    }
}

• Main

public class Main {
    //...
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        falseSharingTest(false);
    }

    public static void falseSharingTest(boolean optimize){
        int times = 1000000000;
        BaseTarget target = null;
        if(optimize){
            target = new BetterTarget();
        }else{
            target = new Target();
        }
        final BaseTarget finalTarget = target;
        //我的机器是4核的所以可以这么写
        fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors() - 1);
        fixedThreadPool.submit(() -> {
            for(int i =0; i < times ; i++){
                finalTarget.setV1(i);
            }
        });
        fixedThreadPool.submit(() -> {
            for(int i =0; i < times ; i++){
                finalTarget.setV2(i);
            }
        });
        long start = System.nanoTime();
        threadPoolShutdown();
        System.out.println(Duration.ofNanos(System.nanoTime() - start));
    }
    //...
}

• 执行结果

PT4.5802031S

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三、解决方案及示例

• 解决方案
  Java8之前可以使用votile的变量进行填充，直到把目标变量挤入下一个缓存行。
  Java8则可以使用@Contended注解，该注解会帮你做好一切事情，对了如果要使其生效的话需要在虚拟机参数中添加下列参数：

-XX:-RestrictContended

• BetterTarget

public class BetterTarget implements  BaseTarget{
    private volatile long v1;
    @Contended
    private volatile long v2;

    @Override
    public void setV1(long v1) {
        this.v1 = v1;
    }

    @Override
    public void setV2(long v2) {
        this.v2 = v2;
    }
}

• Main

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        falseSharingTest(true);
    }

    public static void falseSharingTest(boolean optimize) throws InterruptedException {
        //略
    }

}

• 执行结果

PT1.0964604S

一个小小的注解使得性能足足相差了4倍！！！

• 额外
  如果你发现Contended类无法被导入，你可以试试这个解决办法

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参考文档：
[1] 伪共享（false sharing），并发编程无声的性能杀手