缓存行是什么，伪共享是什么？-月伴飞鱼

一、缓存行（Cache Line）

缓存行（Cache Line）是CPU缓存（Cache）中数据存储的最小单位，通常为 64字节。

当CPU从主存中读取数据时，会以缓存行为单位加载数据，而不是单独加载某个变量或某几个字节。

缓存行的特点：

空间局部性：CPU读取数据时，会顺带将周围的数据一起加载进缓存，以提高后续访问效率。
一致性协议：缓存行是缓存一致性协议（如MESI协议）进行数据同步的基本单位。
固定大小：主流CPU架构通常缓存行大小是64字节。

伪共享是指多个线程在各自处理不同变量时，这些变量正好位于同一个缓存行中，导致线程频繁争夺同一缓存行的控制权，使缓存行不断在各CPU核心间传递，严重影响程序性能。

伪共享的本质并非真正的共享数据，而是由于CPU缓存一致性协议引发的缓存行竞争。

三、伪共享产生原因与过程

举个例子：

假设缓存行大小为64字节，有两个线程分别访问两个变量：

public class Counter {
    volatile long x = 0;
    volatile long y = 0;
}

虽然线程A只访问 x，线程B只访问 y，看似没有共享数据；
但由于 x 和 y 紧密相邻，很可能被放在同一个64字节的缓存行中；
当线程A修改 x 时，缓存一致性协议会使线程B的缓存行失效，同理线程B修改 y 时也会导致线程A缓存失效；
最终造成大量缓存行的无效、更新、传递，引发性能损耗。

四、如何避免伪共享？

填充缓存行（Padding）：

在变量之间添加额外的字节，使变量分布在不同缓存行中。

public class CounterPadded {
    volatile long x = 0;
    long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7; // padding
    volatile long y = 0;
}

使用@Contended注解（JDK8及以上）：

@jdk.internal.vm.annotation.Contended
public class CounterContended {
    volatile long x = 0;
    volatile long y = 0;
}

使用时需添加JVM参数：

-XX:-RestrictContended

合理设计数据结构：
尽量避免多线程频繁访问的数据被放入同一个结构体或类实例中，减少缓存行共享可能性。

五、伪共享实际影响与性能表现

伪共享导致的性能损耗可以非常严重，有时可能使程序性能降低数倍；
并发越高，线程数越多，伪共享的性能损耗越明显；
大量时间耗费在缓存一致性协议上的缓存行同步操作。

六、典型应用场景及解决方案示例

典型场景：

多线程计数器（如业务计数、访问次数统计）；
并发队列、并发数组访问。

实际优化案例：

假设有一个高性能计数器：

public class PaddedAtomicLong {
    private volatile long value = 0;
    // Padding fields, each long is 8 bytes, 7 fields * 8 bytes = 56 bytes padding
    public long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;

    public void increment() {
        value++;
    }

    public long get() {
        return value;
    }
}

添加padding后，每个计数器占据独立缓存行，避免伪共享。

总结：

缓存行 是CPU缓存操作的最小单位（通常为64字节）。
伪共享 指变量未真正共享，但位于同一缓存行中，导致性能损耗。
通过缓存行填充（padding）和合理设计数据结构可有效避免伪共享，提高并发程序的性能。

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缓存行是什么，伪共享是什么？