JAVA多线程循环读写导致False Sharing伪共享问题解析

JAVA多线程循环读写导致False Sharing伪共享问题解析

大家好，今天我们来深入探讨一个在并发编程中容易被忽视，但却可能严重影响性能的问题：False Sharing，也就是伪共享。我们将以Java多线程循环读写场景为例，详细分析False Sharing的成因、影响以及解决方案。

1. 什么是Cache Line？

在理解False Sharing之前，我们需要先了解CPU缓存的工作方式。为了提高CPU访问内存的速度，现代CPU通常会采用多级缓存结构，例如L1、L2、L3缓存。这些缓存并不是以单个字节为单位进行存储，而是以Cache Line为单位。

Cache Line是CPU缓存中最小的数据交换单位。它的大小通常是固定的，常见的有32字节、64字节或128字节。当CPU需要访问内存中的某个数据时，它会首先检查该数据是否已经存在于缓存中。如果存在（Cache Hit），则直接从缓存中读取数据，速度非常快。如果不存在（Cache Miss），则CPU会从内存中读取包含该数据的整个Cache Line到缓存中。

概念	描述
Cache	CPU内部的高速缓存，用于存储频繁访问的数据，减少CPU直接访问内存的次数。
Cache Line	CPU缓存中最小的数据交换单位。当CPU需要访问内存中的某个数据时，会一次性将包含该数据的整个Cache Line加载到缓存中。
Cache Hit	CPU需要访问的数据已经存在于缓存中，直接从缓存读取。
Cache Miss	CPU需要访问的数据不在缓存中，需要从内存中读取，并将包含该数据的Cache Line加载到缓存中。

2. 什么是False Sharing？

False Sharing发生在多线程并发修改共享变量时。当多个线程修改不同的变量，但这些变量恰好位于同一个Cache Line中时，就会发生False Sharing。

假设有两个线程A和B，它们分别修改变量x和y，而x和y位于同一个Cache Line中。当线程A修改x时，包含x的Cache Line会被标记为"Dirty"（已修改），并且需要将其同步到其他CPU核心的缓存中。即使线程B仅仅是读取y，它也需要等待线程A完成对Cache Line的修改和同步。因为线程B的缓存中对应的Cache Line已经失效，必须重新从内存或其他CPU核心的缓存中读取最新的Cache Line。

这种现象被称为False Sharing，因为它实际上并没有共享同一份数据，但由于它们位于同一个Cache Line，导致了不必要的缓存同步和失效，降低了程序的性能。

3. False Sharing的危害

False Sharing的主要危害在于：

• 增加缓存一致性维护的开销： 每个CPU核心都有自己的缓存，当某个CPU核心修改了Cache Line中的数据时，需要通知其他CPU核心，使它们的缓存中的对应Cache Line失效或更新。这种缓存一致性维护会消耗大量的CPU资源和带宽。
• 降低CPU缓存的利用率： 由于False Sharing导致频繁的Cache Line失效和重新加载，使得CPU缓存的利用率降低，降低了程序的整体性能。
• 导致线程阻塞： 当一个线程修改了Cache Line，其他线程需要等待该Cache Line同步完成后才能继续访问，可能导致线程阻塞，降低程序的并发性。

4. 代码示例：演示False Sharing

下面我们通过一个简单的Java代码示例来演示False Sharing：

public class FalseSharingDemo implements Runnable {

    public final static long ITERATIONS = 1000 * 1000 * 100;
    private int arrayIndex = 0;

    private static ValueNoPadding[] valueNoPaddings;
    private static ValueWithPadding[] valueWithPaddings;

    public FalseSharingDemo(final int arrayIndex) {
        this.arrayIndex = arrayIndex;
    }

    public static void main(final String[] args) throws Exception {
        System.out.println("Starting FalseSharingDemo...");
        testPadding(true);
        testPadding(false);

    }

    private static void testPadding(boolean padding) throws InterruptedException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        if(padding){
            valueWithPaddings = new ValueWithPadding[2];
            valueWithPaddings[0] = new ValueWithPadding();
            valueWithPaddings[1] = new ValueWithPadding();
            runTest(padding);
        } else {
            valueNoPaddings = new ValueNoPadding[2];
            valueNoPaddings[0] = new ValueNoPadding();
            valueNoPaddings[1] = new ValueNoPadding();
            runTest(padding);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("duration = " + (end - start) + "ms, padding = " + padding);
    }

    private static void runTest(boolean padding) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new FalseSharingDemo(0));
        Thread t2 = new Thread(new FalseSharingDemo(1));

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
    }

    @Override
    public void run() {
        long i = ITERATIONS;
        while (0 != --i) {
            if(valueWithPaddings != null){
                valueWithPaddings[arrayIndex].value++;
            } else {
                valueNoPaddings[arrayIndex].value++;
            }
        }
    }

    public static long sumPaddingOject() {
        return valueWithPaddings[0].value + valueWithPaddings[1].value;
    }
    public static long sumNoPaddingOject() {
        return valueNoPaddings[0].value + valueNoPaddings[1].value;
    }

    public static class ValueNoPadding {
        public volatile long value = 0L;
    }

    public static class ValueWithPadding {
        public volatile long value = 0L;
        public long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    }
}

在这个例子中，我们创建了两个线程，每个线程都会循环递增一个long类型的变量。ValueNoPadding类和ValueWithPadding类分别代表不带Padding和带Padding的long型变量。

• ValueNoPadding类中只包含一个long类型的value变量。
• ValueWithPadding类中除了value变量外，还包含了7个long类型的padding变量。这些padding变量的作用是填充Cache Line，使得value变量与其他线程的value变量位于不同的Cache Line中，从而避免False Sharing。

运行这段代码，你会发现不使用Padding时，程序的运行时间会明显长于使用Padding时。这是因为不使用Padding时，两个线程的value变量很可能位于同一个Cache Line中，导致False Sharing。

5. 如何避免False Sharing？

避免False Sharing的常见方法是Padding。Padding的原理是在共享变量周围填充一些无用的数据，使得每个共享变量占据一个独立的Cache Line，从而避免多个线程修改同一个Cache Line。

在上面的代码示例中，我们通过在ValueWithPadding类中添加padding变量来避免False Sharing。这些padding变量会填充Cache Line，使得每个线程的value变量都位于不同的Cache Line中。

除了Padding之外，还可以使用以下方法来避免False Sharing：

• 数据结构重组： 重新设计数据结构，使得需要并发访问的数据位于不同的Cache Line中。
• ThreadLocal： 使用ThreadLocal来存储每个线程的私有数据，避免多个线程共享数据。
• Disruptor框架： Disruptor是一个高性能的并发框架，它使用RingBuffer作为数据结构，并采用Padding来避免False Sharing。

方法	描述
Padding	在共享变量周围填充无用的数据，使得每个共享变量占据一个独立的Cache Line。
数据结构重组	重新设计数据结构，使得需要并发访问的数据位于不同的Cache Line中。
ThreadLocal	使用ThreadLocal来存储每个线程的私有数据，避免多个线程共享数据。
Disruptor框架	Disruptor是一个高性能的并发框架，它使用RingBuffer作为数据结构，并采用Padding来避免False Sharing。

6. Padding的注意事项

在使用Padding时，需要注意以下几点：

• Padding的大小： Padding的大小应该足够填充整个Cache Line。例如，如果Cache Line的大小为64字节，而共享变量的大小为8字节，则需要添加56字节的Padding。
• JVM优化： JVM可能会对Padding进行优化，例如移除未使用的Padding。为了防止JVM优化，可以使用@sun.misc.Contended注解来强制JVM不进行优化。需要注意的是，这个注解是Sun的内部注解，可能会在未来的JDK版本中被移除。从Java 8开始，可以使用-XX:-RestrictContended JVM参数来允许使用@Contended注解。
• 内存占用： Padding会增加内存占用，需要根据实际情况进行权衡。

7. 实际案例分析

False Sharing在实际项目中可能会导致严重的性能问题。例如，在高并发的缓存系统中，如果多个线程同时访问不同的缓存项，但这些缓存项恰好位于同一个Cache Line中，就会发生False Sharing，导致缓存系统的性能下降。

在某些高性能的队列实现中，也会使用Padding来避免False Sharing。例如，Disruptor框架中的RingBuffer就使用了Padding来保证每个生产者和消费者线程的写操作不会互相影响。

8. 如何检测False Sharing？

检测False Sharing可以使用以下方法：

• 性能分析工具： 使用性能分析工具（例如JProfiler、VisualVM）来分析程序的性能瓶颈。这些工具可以帮助你找到频繁发生缓存失效的地方，从而判断是否存在False Sharing。
• 代码审查： 仔细审查代码，特别是并发访问共享变量的部分，检查是否存在多个线程修改同一个Cache Line的情况。
• 实验验证： 通过实验来验证是否存在False Sharing。例如，可以分别运行有Padding和没有Padding的代码，比较它们的性能差异。

9. 使用@Contended注解 (Java 8+)

从Java 8开始，可以使用@Contended注解来避免False Sharing。需要在JVM启动时添加-XX:-RestrictContended参数。

import sun.misc.Contended;

@Contended
public class PaddedLong {
    public volatile long value = 0L;
}

10. 使用Unsafe类 (高级用法)

sun.misc.Unsafe类提供了一些底层的操作，可以直接操作内存。可以使用Unsafe类来分配内存，并保证变量的对齐，从而避免False Sharing。但是，使用Unsafe类需要谨慎，因为它绕过了JVM的安全检查，可能会导致程序崩溃或出现其他问题。

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

public class UnsafePaddedLong {
    private static final Unsafe unsafe;
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(UnsafePaddedLong.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    private volatile long value = 0L;

    public long getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(long value) {
        this.value = value;
    }
}

总结：理解Cache Line，避免共享，Padding是关键

False Sharing是一个隐藏的性能杀手，特别是在高并发的多线程环境中。理解Cache Line的工作原理，避免不必要的共享，并合理使用Padding等技术，可以有效地避免False Sharing，提升程序的性能。