伪共享和缓存行填充，Java并发编程还能这么优化！

前言

关于伪共享的文章已经很多了，对于多线程编程来说，特别是多线程处理列表和数组的时候，要非常注意伪共享的问题。否则不仅无法发挥多线程的优势，还可能比单线程性能还差。随着JAVA版本的更新，再各个版本上减少伪共享的做法都有区别，一不小心代码可能就失效了，要注意进行测试。这篇文章总结一下。

什么是伪共享
关于伪共享讲解最清楚的是这篇文章：http://developer.51cto.com/art/201306/398232.htm，我这里就直接摘抄其对伪共享的解释：

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 6下的方案

解决伪共享的办法是使用缓存行填充，使一个对象占用的内存大小刚好为64bytes或它的整数倍，这样就保证了一个缓存行里不会有多个对象。这篇文章http://developer.51cto.com/art/201306/398232.htm提供了缓存行填充的例子：

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通过填充一些无用的字段p1,p2,p3,p4,p5,p6，再考虑到对象头也占用8bit, 刚好把对象占用的内存扩展到刚好占64bytes（或者64bytes的整数倍）。这样就避免了一个缓存行中加载多个对象。但这个方法现在只能适应JAVA6 及以前的版本了。

（注：如果我们的填充使对象size大于64bytes，比如多填充16bytes– public long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8;。理论上同样应该避免伪共享问题，但事实是这样的话执行速度同样慢几倍，只比没有使用填充好一些而已。还没有理解其原因。所以测试下来，必须是64bytes的整数倍）

JAVA 7下的方案
上面这个例子在JAVA 7下已经不适用了。因为JAVA 7会优化掉无用的字段，可以参考：http://ifeve.com/false-shareing-java-7-cn/。

因此，JAVA 7下做缓存行填充更麻烦了，需要使用继承的办法来避免填充被优化掉，这篇文章http://ifeve.com/false-shareing-java-7-cn/里的例子我觉得不是很好，于是我自己做了一些优化，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; // 注释  
}

public class VolatileLong extends VolatileLongPadding {
    public volatile long value = 0L;  
}

把padding放在基类里面，可以避免优化。（这好像没有什么道理好讲的，JAVA7的内存优化算法问题，能绕则绕）。不过，这种办法怎么看都有点烦，借用另外一个博主的话：做个java程序员真难。

JAVA 8下的方案
在JAVA 8中，缓存行填充终于被JAVA原生支持了。JAVA 8中添加了一个@Contended的注解，添加这个的注解，将会在自动进行缓存行填充。以上的例子可以改为：

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;  
}

执行时，必须加上虚拟机参数-XX:-RestrictContended，@Contended注释才会生效。很多文章把这个漏掉了，那样的话实际上就没有起作用。

@Contended注释还可以添加在字段上，今后再写文章详细介绍它的用法。

（后记：以上代码基于32位JDK测试，64位JDK下，对象头大小不同，有空再测试一下）

参考

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

原文发布时间为：2018-07-12
本文作者：Binhua
本文来自云栖社区合作伙伴“Java架构沉思录”，了解相关信息可以关注“Java架构沉思录”。