面试官：什么是伪共享，如何避免？

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小编点评

## Java 对象内存布局分析 **父类声明的实例字段会在子类实例字段之前声明，而字段间的并不是按照源码中的声明顺序排列的，而是相同宽度的字段会分配在一起：** * 父类声明的 7 个 long 变量：`a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7` * 子类继承的 7 个 long 变量：`b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7` **由于 Java 对象内存布局的限制，所有填充变量都变成前置填充了，并没有起到填充的效果。** **实验验证：** ```java // 使用 JOL 工具输出对象内存布局 long offset = 0; long size = 4; Type type = Type.LONG; String description = "Value"; System.out.printf("%12s %4d %s %s\n", offset, size, type, description); // 其他填充格式的测试 offset = 12; size = 8; type = Type.INT; System.out.printf("%12s %4d %s %s\n", offset, size, type, description); ``` **输出结果：** ``` 0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1) 4 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1) ``` **可以看到，`a1` 和 `b1` 的值被分配到同一个缓存行中，因为它们是相同宽度的。** **总结：** 在 Java 中，由于对象内存布局的限制，所有填充变量都变成前置填充了，并没有起到填充的效果。为了解决伪共享问题，可以采用缓冲行填充等方法来避免变量和其他分组被填充到同一个缓存行中。

正文

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前言

大家好，我是小彭。

在前面的文章里，我们聊到了 CPU 的高速缓存机制。由于 CPU 和内存的速度差距太大，现代计算机会在两者之间插入一块高速缓存。

然而，CPU 缓存总能提高程序性能吗，有没有什么情况 CPU 缓存反而会成为程序的性能瓶颈？这就是我们今天要讨论的伪共享（False Sharing）。

学习路线图：

1. 回顾 MESI 缓存一致性协议

由于 CPU 和内存的速度差距太大，为了拉平两者的速度差，现代计算机会在两者之间插入一块速度比内存更快的高速缓存，CPU 缓存是分级的，有 L1 / L2 / L3 三级缓存。

由于单核 CPU 的性能遇到瓶颈（主频与功耗的矛盾），芯片厂商开始在 CPU 芯片里集成多个 CPU 核心，每个核心有各自的 L1 / L2 缓存。其中 L1 / L2 缓存是核心独占的，而 L3 缓存是多核心共享的。为了保证同一份数据在内存和多个缓存副本中的一致性，现代 CPU 会使用 MESI 等缓存一致性协议保证系统的数据一致性。

缓存一致性问题

MESI 协议

现在，我们的问题是：CPU 缓存总能够提高程序性能吗？

2. 什么是伪共享？

基于局部性原理的应用，CPU Cache 在读取内存数据时，每次不会只读一个字或一个字节，而是一块块地读取，每一小块数据也叫 CPU 缓存行（CPU Cache Line）。

在并行场景中，当多个处理器核心修改同一个缓存行变量时，有 2 种情况：

情况 1 - 修改同一个变量： 两个处理器并行修改同一个变量的情况，CPU 会通过 MESI 机制维持两个核心的缓存中的数据一致性（Conherence）。简单来说，一个核心在修改数据时，需要先向所有核心广播 RFO 请求，将其它核心的 Cache Line 置为 “已失效”。其它核心在读取或写入 “已失效” 数据时，需要先将其它核心 “已修改” 的数据写回内存，再从内存读取；

事实上，多个核心修改同一个变量时，使用 MESI 机制维护数据一致性是必要且合理的。但是多个核心分别访问不同变量时，MESI 机制却会出现不符合预期的性能问题。

情况 2 - 修改不同变量： 两个处理器并行修改不同变量的情况，从程序员的逻辑上看，两个核心没有数据依赖关系，因此每次写入操作并不需要把其他核心的 Cache Line 置为 “已失效”。但从 CPU 的缓存一致性机制上看，由于 CPU 缓存的颗粒度是一个个缓存行，而不是其中的一个个变量。当修改其中的一个变量后，缓存控制机制也必须把其它核心的整个 Cache Line 置为 “已失效”。

在高并发的场景下，核心的写入操作就会交替地把其它核心的 Cache Line 置为失效，强制对方刷新缓存数据，导致缓存行失去作用，甚至性能比串行计算还要低。

这个问题我们就称为伪共享问题。

出现伪共享问题时，有可能出现程序并行执行的耗时比串行执行的耗时还要长。耗时排序： 并行执行有伪共享 > 串行执行 > 并行执行无伪共享。

伪共享性能测试

—— 数据引用自 Github · falseSharing —— MJjainam 著

3. 缓存行填充

那么，怎么解决伪共享问题呢？其实方法很简单 —— 缓存行填充：

1、分组： 首先需要考虑哪些变量是独立变化的，哪些变量是协同变化的。协同变化的变量放在一组，而无关的变量分到不同组；
2、填充： 在变量前后填充额外的占位变量，避免变量和其他分组的被填充到同一个缓存行中，从而规避伪共享问题。

下面，我们以 Java 为例介绍如何做缓存行填充，在不同 Java 版本上填充的实现方式不同：

Java 8 之前

通过填充 long 变量填充 Padding。 ~~网上有的资料会将前置填充和后置填充放在同一个类中，~~ 这是不对的。例如：

错误示例

public class Data {
    long a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7; // 前置填充
    volatile int value;
    long b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7; // 后置填充
}

在《对象的内存分为哪几个部分？》这篇文章中，我们分析 Java 对象的内存布局：其中我们提到：“其中，父类声明的实例字段会放在子类实例字段之前，而字段间的并不是按照源码中的声明顺序排列的，而是相同宽度的字段会分配在一起：引用类型 > long/double > int/float > short/char > byte/boolean。”

Java 对象内存布局

因此，上面的代码中，所有填充变量都变成前置填充了，并没有起到填充的效果：

实验验证

# 使用 JOL 工具输出对象内存布局：
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
		 # 填充无效
     12     4    int Data.value                         0
     16     8   long Data.a1                            0
     24     8   long Data.a2                            0
     32     8   long Data.a3                            0
     40     8   long Data.a4                            0
     48     8   long Data.a5                            0
     56     8   long Data.a6                            0
     64     8   long Data.a7                            0
     72     8   long Data.b1                            0
     80     8   long Data.b2                            0
     88     8   long Data.b3                            0
     96     8   long Data.b4                            0
    104     8   long Data.b5                            0
    112     8   long Data.b6                            0
    120     8   long Data.b7                            0
Instance size: 128 bytes

正确的做法是利用父子类继承来做缓存行填充：

正确示例

public abstract class SuperPadding {
    long a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7; // 前置填充
}

public abstract class DataField extends SuperPadding {
    volatile int value;
}

public class Data extends DataField {
    long b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7; // 后置填充
}

实验验证

# 使用 JOL 工具输出对象内存布局：
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           bf c1 00 f8 (10111111 11000001 00000000 11111000) (-134168129)
     12     4        (alignment/padding gap)                  
     16     8   long SuperPadding.a1                           0
     24     8   long SuperPadding.a2                           0
     32     8   long SuperPadding.a3                           0
     40     8   long SuperPadding.a4                           0
     48     8   long SuperPadding.a5                           0
     56     8   long SuperPadding.a6                           0
     64     8   long SuperPadding.a7                           0
     72     4    int DataField.value                           0
     76     4        (alignment/padding gap)                  
     80     8   long Data.b1                                   0
     88     8   long Data.b2                                   0
     96     8   long Data.b3                                   0
    104     8   long Data.b4                                   0
    112     8   long Data.b5                                   0
    120     8   long Data.b6                                   0
    128     8   long Data.b7                                   0
Instance size: 136 bytes

缓存行填充

例如，Java 并发框架 Disruptor 就是使用继承的方式实现：

Disruptor · RingBuffer.java

abstract class RingBufferPad {
    protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
}
  
abstract class RingBufferFields<E> extends RingBufferPad {
    // 前置填充：父类的 7 个 long 变量
    ...
    private final long indexMask;
	  private final Object[] entries;
	  protected final int bufferSize;
	  protected final Sequencer sequencer;
    ...
    // 后置填充：子类的 7 个 long 变量
}

public final class RingBuffer<E> extends RingBufferFields<E> implements Cursored, EventSequencer<E>, EventSink<E> {
    protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    ...
}

Java 8 开始

@sun.misc.Contended 注解是 JDK 1.8 新增的注解。如果 JVM 开启字节填充功能 -XX:-RestrictContended ，在运行时就会在变量或类前后填充 Padding。
Java 8 Thread.java

 /** The current seed for a ThreadLocalRandom */
@sun.misc.Contended("tlr")
long threadLocalRandomSeed;

/** Probe hash value; nonzero if threadLocalRandomSeed initialized */
@sun.misc.Contended("tlr")
int threadLocalRandomProbe;

/** Secondary seed isolated from public ThreadLocalRandom sequence */
@sun.misc.Contended("tlr")
int threadLocalRandomSecondarySeed;

Java 8 ConcurrentHashMap.java

@sun.misc.Contended static final class CounterCell {
    volatile long value;
    CounterCell(long x) { value = x; }
}

4. 总结

1、在并行场景中，当多个处理器核心修改同一个缓存行变量时，即使两个变量没有逻辑上的数据依赖性，CPU 缓存一致性机制也会使得两个核心中的缓存交替地失效，拉低程序的性能。这种现象叫伪共享问题；
2、解决伪共享问题的方法是缓冲行填充：在变量前后填充额外的占位变量，避免变量和其他分组的被填充到同一个缓存行中，从而规避伪共享问题。

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参考资料

深入浅出计算机组成原理（第 37 讲） —— 徐文浩著，极客时间出品
字节面：什么是伪共享？ —— 小林 Coding 著
Be careful when trying to eliminate false sharing in Java —— nitsanw 著
False Sharing && Java 7 —— Martin Thompson 著
False sharing —— Wikepedia