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    2. 真實字節二面:什么是偽共享?

      這個問題來自最近一個朋友字節面試碰到的,最后他也成功拿到了字節offer,這個問題我想可能挺多人不太清楚,所以想拿出來單獨說一說。

      好了,讓我們進入正題。

      什么是偽共享

      首先大家都知道,隨著CPU和內存的發展速度差異的問題,導致CPU的速度遠遠快于內存,所以一般現在的CPU都加入了高速緩存,就是常說的解決不同硬件之間的性能差異問題。

      這樣的話,很簡單的道理,加入了緩存,就必然會導致緩存一致性的問題,由此,又引入了緩存一致性協議。(如果你不知道,建議去百度一下,這里不做展開)

      CPU緩存,顧名思義,越貼近CPU的緩存速度越快,容量越小,造價成本也越高,而高速緩存一般可以分為L1、L2、L3三級緩存,按照性能的劃分:L1>L2>L3。

      而事實上,數據在緩存內部都是按照來存儲的,這就叫做緩存行。緩存行一般都是2的整數冪個字節,一般來說范圍在32-256個字節之間,現在最為常見的緩存行的大小在64個字節。

      所以,按照這個存儲方式,緩存中的數據并不是一個個單獨的變量的存儲方式,而是多個變量會放到一行中。

      我們常說的一個例子就是數組和鏈表,數組的內存地址是連續的,當我們去讀取數組中的元素時,CPU會把數組中后續的若干個元素也加載到緩存中,以此提高效率,但是鏈表則不會,也就是說,內存地址連續的變量才有可能被放到一個緩存行中

      在多個線程并發修改一個緩存行中的多個變量時,由于只能同時有一個線程去操作緩存行,將會導致性能的下降,這個問題就稱之為偽共享

      為什么只有一個線程能去操作?我們舉個實際的栗子來說明這種情況:

      假設緩存中有x,y兩個變量,他們同時已經在不同的三級緩存之中。

      這時有兩個線程A和B同時去修改位于Core1和Core2的變量xy

      如果線程A去修改Core1的緩存中的x變量,由于緩存一致性協議,Core2中對應的緩存了x,y變量的緩存行將會失效,他會被強制從主內存中重新去加載變量。

      這樣的話,頻繁的訪問主內存,緩存基本都失效了,將會導致性能的下降,這就是偽共享的問題。

      如何避免?

      既然已經知道了什么是偽共享,那么怎么避免這種情況的發生?

      改變行存儲的方式?想都別想了。

      剩下可行的方法就是填充,如果這一行只有我這一個數據那不就好了嗎?

      確實就是這樣,解決方式通常有以下兩種。

      字節填充

      在JDK8之前,可以通過填充字節的方式來避免偽共享的問題,如下代碼所示:

      自定義填充自定義填充

      一般而言,緩存行有64字節,我們知道一個long是8個字節,填充5個long之后,一共就是48個字節。

      而 Java 中對象頭在32位系統下占用8個字節,64位系統下占用16個字節,這樣填充5個long型即可填滿64字節,也就是一個緩存行。

      @Contented注解

      JDK8以及之后的版本 Java 提供了sun.misc.Contended 注解,通過@Contented注解就可以解決偽共享的問題。

      注解方式注解方式

      使用@Contented注解后會增加128字節的padding,并且需要開啟-XX:-RestrictContended選項后才能生效。

      所以,通過以上兩種方式你會發現,對象頭大小和緩存行的大小都和操作系統位數有關,JDK的注解幫你解決了這個問題,所以推薦盡量使用注解的方式來實現。

      雖然解決了偽共享問題,但是這種填充的方式也浪費了緩存資源,明明只有8B的大小,硬是使用了64B緩存空間,造成了緩存資源的浪費。

      而且我們知道,緩存又小又貴,時間和空間的取舍要自己酌情考慮。

      實際應用

      在Java中提供了多個原子變量的操作類,就是比如AtomicLongAtomicInteger這些,通過CAS的方式去更新變量,但是失敗會無限自旋嘗試,導致CPU資源的浪費。

      為了解決高并發下的這個缺點,JDK8中新增了LongAdder類,他的使用就是對解決偽共享的實際應用。

      LongAdder繼承自Striped64,內部維護了一個Cell數組,核心思想就是把單個變量的競爭拆分,多線程下如果一個Cell競爭失敗,轉而去其他Cell再次CAS重試。

      Striped64成員變量Striped64成員變量

      解決偽共享的真正的核心就在Cell數組,可以看到,Cell數組使用了Contented注解。

      在上面我們提到數組的內存地址都是連續的,所以數組內的元素經常會被放入一個緩存行,這樣的話就會帶來偽共享的問題,影響性能。

      這里使用Contented進行填充,就避免了偽共享的問題,使得數組中的元素不再共享一個緩存行。

      解決偽共享解決偽共享

      好了,今天的內容就到這里,我是艾小仙,我的slogan還沒想好,但是我們下次見。

      posted @ 2021-03-01 18:28  艾小仙  閱讀(312)  評論(1編輯  收藏
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