Java 缓存行 和 伪共享

Java 缓存行和伪共享

最近看了一本书，因为以前不太了解底层原理，所以这块比较薄弱，所以通过本文做下记录和总结。

1.缓存行和伪共享的概念

1.1 概念阐述

在计算机系统中，内存是以【缓存行】为单位存储的，一个缓存行存储的字节是2的倍数。不同机器上，缓存行大小也不一样，通常来说为64字节。
伪共享是指：在多个线程同时读写同一个【缓存行】上的不同数据时，尽管这些变量之间没有任何关系，但是在多线程之间仍然需要同步，从而导致性能下降。在多核处理器中，伪共享是影响性能的主要因素之一，通常称之为：“性能杀手”。

1.2 图解

可能上述文字阐述的不是很直白，可以通过这个图理解下：
线程a 在CPU1上读写变量X， 同时线程b上读写变量Y，但是巧合的是变量 X , Y 在同一个缓存行上，那边线程a，b就要互相竞争获取该缓存行的读写权限，才可以进行读写。
假如 线程a在内核1上 获取了缓存行的读写权限，进行了操作，就会导致其他内核中的x变量和y变量同时失效,那么线程b 就必须刷新它的缓存后才能在内核2上获取缓存行的读写权限。 这就导致了这个缓存行在不同的线程之间多次通过 L3缓存进行交换最新复制的数据，极大的影响了CPU性能，如果CPU不在同一个槽上，性能更糟糕。

2、 JVM内存模型——Java对象结构

2.1 Java对象头

Mark Word记录了对象和锁有关的信息，当这个对象被synchronized关键字当成同步锁时，围绕这个锁的一系列操作都和Mark Word有关。

所有java 对象都有8字节的对象头，前4个字节用于保存对象的哈希码（前3个字节）和对象锁状态（后一个字节），假如对象处于上锁状态，这4个字节都会被拿到对象外，并用指针进行连接。
剩下的4个字节用来存储对象所属类的引用。
另外，对于数组而言，还有一个保存数组大小的变量，也是4个字节。

2.2 实例对象

对象的实例就是我们在Java对象中看到的属性及其值。

2.3 对齐填充

JVM 要求Java的对象占用的内存大小必须是8bit的整数倍，所以后面有几个字节用于把对象的大小补齐值8bit 倍数。

每个java 对象都会对齐到8字节的倍数，不够会进行填充，为了保证效率，Java 编译器通过字段类型进行了排序：

顺序	类型	字节数量（字节）
1	double	8
2	long	8
3	int	4
4	float	4
5	Short	2
6	char	2
7	boolean	1
8	byte	1
9	对象引用	4或者8
10	子类字段	重新排序

3、Demo验证

这里采用书本的样例，可以直接运行，可以调整线程数量 来观摩对性能的影响。

/**
 * @author zhanghuilong
 * @desc Java中缓存行，伪共享的理解
 * @since 2019/06/12
 */
public class FalseSharingDemo {
    // 测试使用线程数
    private final static  int NUM_THREADS= 4;
    // 测试次数
    private final static  int NUM_TEST_TIMES= 10;

    // 无填充 无缓存行对齐的对象类 普通热变量
    static class PlainHotVariable {
        // 1个long 类型变量 占用内存 1*8 = 8 字节，
        public volatile long value = 0L;
    }

    // 有填充 有缓存行对其的对象类
    static class AlignHotVariable extends PlainHotVariable{
        // 用于填充，6个long 类型的变量 ，总占用内存为 6*8 = 48 字节
        // 加上继承父类的一个变量value，那么总共该对象 占用内存为：8字节对象头 + 8字节父类变量+ 6*8字节填充变量 = 64字节，
        // 正好满足一个对象全部在一个缓存行中，消除了伪竞争问题
        public long p1,p2,p3,p4,p5,p6;
    }

    // 竞争者
    static final class CompetitorThread extends Thread {
        //迭代次数
        private final static long ITERATIONS = 500L * 1000L * 1000L;

        private PlainHotVariable plainHotVariable;

        public CompetitorThread(final PlainHotVariable plainHotVariable) {
            this.plainHotVariable = plainHotVariable;
        }

        @Override
        public void run() {
            for (int i=0;i t2;
    }


    public static void runOneSuit(int threadsNum, int testNum) throws Exception{
        int expectedCount = 0;
        for (int i = 0; i < testNum; i++) {
            if (runOneCompare(threadsNum)){
                expectedCount++;
            }
        }
        //计算有填充 有缓存对其的测试场景下响应时间更短的概率
        System.out.println("Radio (Plain < Align ):" + expectedCount * 100D / testNum +"%");
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception{

        runOneSuit(NUM_THREADS, NUM_TEST_TIMES);
    }
}

测试结果：

无填充 无缓存行对齐Plain：17638579323
有填充 有缓存行对齐Plain：7270967980
无填充 无缓存行对齐Plain：20392022924
有填充 有缓存行对齐Plain：7521045611
无填充 无缓存行对齐Plain：12537116135
有填充 有缓存行对齐Plain：7369732614
无填充 无缓存行对齐Plain：12498607757
有填充 有缓存行对齐Plain：7419091587
无填充 无缓存行对齐Plain：12198918237
有填充 有缓存行对齐Plain：7422019467
无填充 无缓存行对齐Plain：11988160497
有填充 有缓存行对齐Plain：7532538573
无填充 无缓存行对齐Plain：12223106752
有填充 有缓存行对齐Plain：7340185594
无填充 无缓存行对齐Plain：16388926182
有填充 有缓存行对齐Plain：7300794683
无填充 无缓存行对齐Plain：12338497888
有填充 有缓存行对齐Plain：7804763605
无填充 无缓存行对齐Plain：12393832355
有填充 有缓存行对齐Plain：7360913752
Radio (Plain < Align ):100.0%

4、伪共享 解决方案

此条信息也是碰巧在这篇文章中看到的：https://blog.csdn.net/hanmindaxiongdi/article/details/81159314

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。
对应到代码里在AlignHotVariable 类上加上注解，并且去掉填充6个对象，运行时在jvm里开启响应参数即可：

    // 有填充 有缓存行对其的对象类
    @sun.misc.Contended 
    static class AlignHotVariable extends PlainHotVariable{
        // 用于填充，6个long 类型的变量 ，总占用内存为 6*8 = 48 字节
        // 加上继承父类的一个变量value，那么总共该对象 占用内存为：8字节对象头 + 8字节父类变量+ 6*8字节填充变量 = 64字节，
        // 正好满足一个对象全部在一个缓存行中，消除了伪竞争问题
//        public long p1,p2,p3,p4,p5,p6;
    }

以下是测试结果和 有填充项的基本一致：

无填充 无缓存行对齐Plain：19445985843
有填充 有缓存行对齐Plain：6996708098
无填充 无缓存行对齐Plain：12654238078
有填充 有缓存行对齐Plain：8071548517
无填充 无缓存行对齐Plain：19983041578
有填充 有缓存行对齐Plain：7074076269
无填充 无缓存行对齐Plain：17710330823
有填充 有缓存行对齐Plain：7030274857
无填充 无缓存行对齐Plain：20281301886
有填充 有缓存行对齐Plain：7048077452
无填充 无缓存行对齐Plain：19447443573
有填充 有缓存行对齐Plain：7066423588
无填充 无缓存行对齐Plain：20154352370
有填充 有缓存行对齐Plain：7052431719
无填充 无缓存行对齐Plain：18240658823
有填充 有缓存行对齐Plain：6996498595
无填充 无缓存行对齐Plain：19922299237
有填充 有缓存行对齐Plain：7094801775
无填充 无缓存行对齐Plain：17513743086
有填充 有缓存行对齐Plain：7002876176
Radio (Plain < Align ):100.0%