前言
關于偽共享的文章已經很多了，對于多線程編程來說，特別是多線程處理列表和數組的時候，要非常注意偽共享的問題。否則不僅無法發揮多線程的優勢，還可能比單線程性能還差。隨著JAVA版本的更新，再各個版本上減少偽共享的做法都有區別，一不小心代碼可能就失效了，要注意進行測試。這篇文章總結一下。
什么是偽共享
關于偽共享講解最清楚的是這篇文章：http://developer.51cto.com/art/201306/398232.htm，我這里就直接摘抄其對偽共享的解釋：
緩存系統中是以緩存行（cache line）為單位存儲的。緩存行是2的整數冪個連續字節，一般為32-256個字節。最常見的緩存行大小是64個字節。當多線程修改互相獨立的變量時，如果這些變量共享同一個緩存行，就會無意中影響彼此的性能，這就是偽共享。緩存行上的寫競爭是運行在SMP系統中并行線程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性能殺手，因為從代碼中很難看清楚是否會出現偽共享。
為了讓可伸縮性與線程數呈線性關系，就必須確保不會有兩個線程往同一個變量或緩存行中寫。兩個線程寫同一個變量可以在代碼中發現。為了確定互相獨立的變量是否共享了同一個緩存行，就需要了解內存布局，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對象的內存布局以及我們該如何填充緩存行以避免偽共享。
圖1說明了偽共享的問題。在核心1上運行的線程想更新變量X，同時核心2上的線程想要更新變量Y。不幸的是，這兩個變量在同一個緩存行中。每個線程都要去競爭緩存行的所有權來更新變量。如果核心1獲得了所有權，緩存子系統將會使核心2中對應的緩存行失效。當核心2獲得了所有權然后執行更新操作，核心1就要使自己對應的緩存行失效。這會來來回回的經過L3緩存，大大影響了性能。如果互相競爭的核心位于不同的插槽，就要額外橫跨插槽連接，問題可能更加嚴重。
JAVA 6下的方案
解決偽共享的辦法是使用緩存行填充，使一個對象占用的內存大小剛好為64bytes或它的整數倍，這樣就保證了一個緩存行里不會有多個對象。這篇文章http://developer.51cto.com/art/201306/398232.htm提供了緩存行填充的例子：
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 }
}
VolatileLong通過填充一些無用的字段p1,p2,p3,p4,p5,p6，再考慮到對象頭也占用8bit, 剛好把對象占用的內存擴展到剛好占64bytes（或者64bytes的整數倍）。這樣就避免了一個緩存行中加載多個對象。但這個方法現在只能適應JAVA6 及以前的版本了。
（注：如果我們的填充使對象size大于64bytes，比如多填充16bytes– public long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8;。理論上同樣應該避免偽共享問題，但事實是這樣的話執行速度同樣慢幾倍，只比沒有使用填充好一些而已。還沒有理解其原因。所以測試下來，必須是64bytes的整數倍）
JAVA 7下的方案
上面這個例子在JAVA 7下已經不適用了。因為JAVA 7會優化掉無用的字段，可以參考：http://ifeve.com/false-shareing-java-7-cn/。
因此，JAVA 7下做緩存行填充更麻煩了，需要使用繼承的辦法來避免填充被優化掉，這篇文章http://ifeve.com/false-shareing-java-7-cn/里的例子我覺得不是很好，于是我自己做了一些優化，使其更通用：
public final class FalseSharing implements Runnable { public static int NUM_THREADS = 4; // change public final static long ITERATIONS = 500L * 1000L * 1000L; private final int arrayIndex; private static VolatileLong[] longs; public FalseSharing(final int arrayIndex) { this.arrayIndex = arrayIndex; } public static void main(final String[] args) throws Exception { Thread.sleep(10000); System.out.println("starting...."); if (args.length == 1) { NUM_THREADS = Integer.parseInt(args[0]); } longs = new VolatileLong[NUM_THREADS]; for (int i = 0; i < longs.length; i++) { longs[i] = new VolatileLong(); } 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 class VolatileLongPadding {public volatile long p1, p2, p3, p4, p5, p6; // 注釋
}public class VolatileLong extends VolatileLongPadding {public volatile long value = 0L;
}
把padding放在基類里面，可以避免優化。（這好像沒有什么道理好講的，JAVA7的內存優化算法問題，能繞則繞）。不過，這種辦法怎么看都有點煩，借用另外一個博主的話：做個java程序員真難。
JAVA 8下的方案
在JAVA 8中，緩存行填充終于被JAVA原生支持了。JAVA 8中添加了一個@Contended的注解，添加這個的注解，將會在自動進行緩存行填充。以上的例子可以改為：
public final class FalseSharing implements Runnable { public static int NUM_THREADS = 4; // change public final static long ITERATIONS = 500L * 1000L * 1000L; private final int arrayIndex; private static VolatileLong[] longs; public FalseSharing(final int arrayIndex) { this.arrayIndex = arrayIndex; } public static void main(final String[] args) throws Exception { Thread.sleep(10000); System.out.println("starting...."); if (args.length == 1) { NUM_THREADS = Integer.parseInt(args[0]); } longs = new VolatileLong[NUM_THREADS]; for (int i = 0; i < longs.length; i++) { longs[i] = new VolatileLong(); } 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; } }
}@Contended
public class VolatileLong {public volatile long value = 0L;
}
執行時，必須加上虛擬機參數-XX:-RestrictContended，@Contended注釋才會生效。很多文章把這個漏掉了，那樣的話實際上就沒有起作用。
@Contended注釋還可以添加在字段上，今后再寫文章詳細介紹它的用法。
（后記：以上代碼基于32位JDK測試，64位JDK下，對象頭大小不同，有空再測試一下）
參考
http://mechanical-sympathy.blogspot.com/2011/07/false-sharing.html
http://mechanical-sympathy.blogspot.hk/2011/08/false-sharing-java-7.html
http://robsjava.blogspot.com/2014/03/what-is-false-sharing.html
原文發布時間為：2018-07-12
本文作者：Binhua
本文來自云棲社區合作伙伴“Java架構沉思錄”，了解相關信息可以關注“Java架構沉思錄”。
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