多线程开发中Cache伪共享问题及@Contended的使用

2024-07-02 06:39:09

伪共享的危害

Cache伪共享问题是编程种真实存在的一个问题，Cache伪共享导致本来无关的两个线程相互抢占资源，并行成为串行，大大降低了系统的并发性。

伪共享问题是如何产生的

考虑下面所示的Java Class结构：

class MyClass{private int a;private int b;private int b;
}

按照Java规范， MyClass的对象是在堆内存上分配空间存储的，而且a、b、c三个变量在内存空间上是临近的，如下所示：

a	b	c
4个字节	4个字节	4个字节

X86的CPU中 Cache Line的长度为64字节，这也就意味着 MyClass的3个变量（长度为12字节）是完全有可能加载到一个CaChe Line里的。（由于CPU读取一个字节与读取一些字节时间相差无几，所以CPU每次读取一个有多个字节组成的CaChe Line），如此一来，我们有2个线程（分别运行在不同的CPU上）分别同时读取a和b，那么a和b两个变量在一个CaChe Line并被2个不同的CPU共享，即会出现下面情况：

根据MESI协议(参考百度百科：https://baike.baidu.com/item/MESI%E5%8D%8F%E8%AE%AE/22742331?fr=aladdin)，如果Thread0要对a变量进行修改，则因为CPU1上有对应的 Cache Line，这会导致CPU1的 Cache Line无效，从而使得 Thread1被迫重新从 Memory里获取b的内容（b并没有被其他CPU改变，这样做是因为b与a在一个 Cache Line里）。同样，如果Thread1要对b变量进行修改，则同样导致Thread0的 Cache Line失效，不得不重新从 Memory里加载a。如此一来，本来是逻辑上无关的两个线程，完全可以在两个不同的CPU上同时执行，但阴差阳错地共享了同一个 Cache Line并相互抢占资源，导致并行成为串行，大大降低了系统的并发性，这就是所谓的 Cache伪共享

如何解决伪共享

解决伪共享的办法很简单，在a与b之间添加无用字符，使之不分配在一个CaChe Line中，所以在JDK 8中首次提供了@Contended注释来确保类的属性不在一个CaChe Line中。

文章参考《架构解密-从分布式到微服务》-Leader-us著，中国工信出版社电子工业出版社出版书籍。

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