伪共享（False Sharing）产生的来龙去脉

之前读了一篇美团点评技术博客 2016 年发表的文章：高性能队列——Disruptor，里面提到了 ArrayBlockingQueue会因为加锁和伪共享等出现严重的性能问题。

什么是伪共享呢（False Sharing）呢，讲清楚伪共享出现的原因，我们要先理清楚高速缓存和MESI缓存一致性协议。

Cache Memory

我们都知道 CPU 和主内存之间的运算速度是差异巨大的，在现今的 SMP（Symmetric Multiprocessor）System 中，会在 CPU 和主存间设置三级高速缓存，L1、L2 和 L3，读取顺序由先到后。实际上 Cache 的设计是经历过变更的，Intel和 AMD 的实现细节都不尽相同，本文你可以简单理解为，L1 Cache分为指令缓存和数据缓存两种，L2 Cache只存储数据，L1 和 L2 都是每个核心都有，而 L3 被多核共享。

MESI

那么问题来了，多核CPU的情况下有多个 L1 和 L2 缓存，如何保证缓存内部数据的一致,不让系统数据混乱。这里就引出了一个一致性的协议MESI。

MESI规定了一个cache line存在四种状态：Modified、Exclusive、Shared 和Invalid，这有点像状态机的转换，理清全部的状态较复杂，我们关注简单的：

1. Modified：该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，并且是被修改过的，即与主存中的数据不一致，该缓存行中的内存需要在未来的某个时间点（允许其它CPU读取请主存中相应内存之前）写回主存。当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成Exclusive状态。

2. Exclusive：该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，它是未被修改过的，与主存中数据一致。该状态可以在任何时刻当有其它CPU读取该内存时变成Shared状态。同样地，当CPU修改该缓存行中内容时，该状态可以变成Modified状态。

3. Shared：该状态意味着该缓存行可能被多个CPU缓存，并且各个缓存中的数据与主存数据一致，当有一个CPU修改该缓存行中，其它CPU中该缓存行可以被作废。

4. Invalid：该缓存是无效的（可能有其它CPU修改了该缓存行）。

False Sharing

了解了这些之后，我们再来看伪共享问题，为什么它会影响到性能呢？

上图中thread0位于core0，而thread1位于core1，二者均想更新彼此独立的两个变量，但是由于两个变量位于同一个cache line中，此时可知的是两个cache line的状态应该都是Shared，而对于cache line的操作core间必须争夺主导权（ownership），如果core0抢到了，thread0因此去更新cache line，会导致core1中的cache line状态变为Invalid，随后thread1去更新时必须通知core0将cache line刷回主存，然后它再从主从中load该cache line进高速缓存之后再进行修改，但令人抓狂的是，该修改又会使得core0的cache line失效，重复上演历史，从而高速缓存并未起到应有的作用，反而影响了性能。