java中伪共享问题

伪共享(False Sharing)

作者：Martin Thompson 译者：丁一

缓存系统中是以缓存行（cache line）为单位存储的。缓存行是2的整数幂个连续字节，一般为32-256个字节。最常见的缓存行大小是64个字节。当多线程修改互相独立的变量时，如果这些变量共享同一个缓存行，就会无意中影响彼此的性能，这就是伪共享。缓存行上的写竞争是运行在SMP系统中并行线程实现可伸缩性最重要的限制因素。有人将伪共享描述成无声的性能杀手，因为从代码中很难看清楚是否会出现伪共享。

为了让可伸缩性与线程数呈线性关系，就必须确保不会有两个线程往同一个变量或缓存行中写。两个线程写同一个变量可以在代码中发现。为了确定互相独立的变量是否共享了同一个缓存行，就需要了解内存布局，或找个工具告诉我们。Intel VTune就是这样一个分析工具。本文中我将解释Java对象的内存布局以及我们该如何填充缓存行以避免伪共享。

图 1.

图1说明了伪共享的问题。在核心1上运行的线程想更新变量X，同时核心2上的线程想要更新变量Y。不幸的是，这两个变量在同一个缓存行中。每个线程都要去竞争缓存行的所有权来更新变量。如果核心1获得了所有权，缓存子系统将会使核心2中对应的缓存行失效。当核心2获得了所有权然后执行更新操作，核心1就要使自己对应的缓存行失效。这会来来回回的经过L3缓存，大大影响了性能。如果互相竞争的核心位于不同的插槽，就要额外横跨插槽连接，问题可能更加严重。

Java内存布局(Java Memory Layout)

对于HotSpot JVM，所有对象都有两个字长的对象头。第一个字是由24位哈希码和8位标志位（如锁的状态或作为锁对象）组成的Mark Word。第二个字是对象所属类的引用。如果是数组对象还需要一个额外的字来存储数组的长度。每个对象的起始地址都对齐于8字节以提高性能。因此当封装对象的时候为了高效率，对象字段声明的顺序会被重排序成下列基于字节大小的顺序：

doubles (8) 和 longs (8)
ints (4) 和 floats (4)
shorts (2) 和 chars (2)
booleans (1) 和 bytes (1)
references (4/8)
<子类字段重复上述顺序>

（译注：更多HotSpot虚拟机对象结构相关内容:http://www.infoq.com/cn/articles/jvm-hotspot）

了解这些之后就可以在任意字段间用7个long来填充缓存行。在Disruptor里我们对RingBuffer的cursor和BatchEventProcessor的序列进行了缓存行填充。

为了展示其性能影响，我们启动几个线程，每个都更新它自己独立的计数器。计数器是volatile long类型的，所以其它线程能看到它们的进展。

01
public final class FalseSharing

02
    implements Runnable

03
{

04
    public final static int NUM_THREADS = 4; // change

05
    public final static long ITERATIONS = 500L * 1000L * 1000L;

06
    private final int arrayIndex;

07
  
08
    private static VolatileLong[] longs = new VolatileLong[NUM_THREADS];

09
    static

10
    {

11
        for (int i = 0; i < longs.length; i++)

12
        {

13
            longs[i] = new VolatileLong();

14
        }

15
    }

16
  
17
    public FalseSharing(final int arrayIndex)

18
    {

19
        this.arrayIndex = arrayIndex;

20
    }

21
  
22
    public static void main(final String[] args) throws Exception

23
    {

24
        final long start = System.nanoTime();

25
        runTest();

26
        System.out.println("duration = " + (System.nanoTime() - start));

27
    }

28
  
29
    private static void runTest() throws InterruptedException

30
    {

31
        Thread[] threads = new Thread[NUM_THREADS];

32
  
33
        for (int i = 0; i < threads.length; i++)

34
        {

35
            threads[i] = new Thread(new FalseSharing(i));

36
        }

37
  
38
        for (Thread t : threads)

39
        {

40
            t.start();

41
        }

42
  
43
        for (Thread t : threads)

44
        {

45
            t.join();

46
        }

47
    }

48
  
49
    public void run()

50
    {

51
        long i = ITERATIONS + 1;

52
        while (0 != --i)

53
        {

54
            longs[arrayIndex].value = i;

55
        }

56
    }

57
  
58
    public final static class VolatileLong

59
    {

60
        public volatile long value = 0L;

61
        public long p1, p2, p3, p4, p5, p6; // comment out

62
    }

63
}

结果(Results)

运行上面的代码，增加线程数以及添加/移除缓存行的填充，下面的图2描述了我得到的结果。这是在我4核Nehalem上测得的运行时间。

图 2.

从不断上升的测试所需时间中能够明显看出伪共享的影响。没有缓存行竞争时，我们几近达到了随着线程数的线性扩展。

这并不是个完美的测试，因为我们不能确定这些VolatileLong会布局在内存的什么位置。它们是独立的对象。但是经验告诉我们同一时间分配的对象趋向集中于一块。

所以你也看到了，伪共享可能是无声的性能杀手。

解决方法：

我们知道一条缓存行有64字节, 而Java程序的对象头固定占8字节(32位系统)或12字节(64位系统默认开启压缩, 不开压缩为16字节). 我们只需要填6个无用的长整型补上6*8=48字节, 让不同的VolatileLong对象处于不同的缓存行, 就可以避免伪共享了(64位系统超过缓存行的64字节也无所谓,只要保证不同线程不要操作同一缓存行就可以)。这个办法叫做补齐(Padding)。

Java8中的解决方案

Java8中已经提供了官方的解决方案，Java8中新增了一个注解：@sun.misc.Contended。加上这个注解的类会自动补齐缓存行，需要注意的是此注解默认是无效的，需要在jvm启动时设置-XX:-RestrictContended才会生效。