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淺談C++性能榨汁機(jī)之偽共享

更新時(shí)間：2021年06月09日 10:52:25 作者：lsgxeva

使給定內(nèi)存位置被一個(gè)線(xiàn)程所訪問(wèn),可能還是會(huì)有乒乓緩存的存在,是因?yàn)榱硪环N叫做偽共享(false sharing)的效應(yīng)。即使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩存行中，多個(gè)線(xiàn)程對(duì)數(shù)據(jù)中的成員進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，硬件緩存還是會(huì)產(chǎn)生乒乓緩存。本文將介紹C++中的偽共享

前言

在多核并發(fā)編程中，如果將互斥鎖的爭(zhēng)用比作“性能殺手”的話(huà)，那么偽共享則相當(dāng)于“性能刺客”?！皻⑹帧迸c“刺客”的區(qū)別在于殺手是可見(jiàn)的，遇到殺手時(shí)我們可以選擇戰(zhàn)斗、逃跑、繞路、求饒等多種手段去應(yīng)付，但“刺客”卻不同，“刺客”永遠(yuǎn)隱藏在暗處，伺機(jī)給你致命一擊，防不勝防。具體到我們的并發(fā)編程中，遇到鎖爭(zhēng)用影響并發(fā)性能情況時(shí)，我們可以采取多種措施（如縮短臨界區(qū)，原子操作等等）去提高程序性能，但是偽共享卻是我們從所寫(xiě)代碼中看不出任何蛛絲馬跡的，發(fā)現(xiàn)不了問(wèn)題也就無(wú)法解決問(wèn)題，從而導(dǎo)致偽共享在“暗處”嚴(yán)重拖累程序的并發(fā)性能，但我們卻束手無(wú)策。

緩存行

為了進(jìn)行下面的討論，我們需要首先熟悉緩存行的概念，學(xué)過(guò)操作系統(tǒng)課程存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)這部分內(nèi)容的同學(xué)應(yīng)該對(duì)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的金字塔模型印象深刻，金字塔從上往下代表存儲(chǔ)介質(zhì)的成本降低、容量變大，從下往上則代表存取速度的提高。位于金字塔模型最上層的是CPU中的寄存器，其次是CPU緩存（L1，L2，L3），再往下是內(nèi)存，最底層是磁盤(pán)，操作系統(tǒng)采用這種存儲(chǔ)層次模型主要是為了解決CPU的高速與內(nèi)存磁盤(pán)低速之間的矛盾，CPU將最近使用的數(shù)據(jù)預(yù)先讀取到Cache中，下次再訪問(wèn)同樣數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以直接從速度比較快的CPU緩存中讀取，避免從內(nèi)存或磁盤(pán)讀取拖慢整體速度。

CPU緩存的最小單位就是緩存行，緩存行大小依據(jù)架構(gòu)不同有不同大小，最常見(jiàn)的有64Byte和32Byte，CPU緩存從內(nèi)存取數(shù)據(jù)時(shí)以緩存行為單位進(jìn)行，每一次都取需要讀取數(shù)據(jù)所在的整個(gè)緩存行，即使相鄰的數(shù)據(jù)沒(méi)有被用到也會(huì)被緩存到CPU緩存中（這里又涉及到局部性原理，后面文章會(huì)進(jìn)行介紹）。

緩存一致性

在單核CPU情況下，上述方法可以正常工作，可以確保緩存到CPU緩存中的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)是“干凈”的，因?yàn)椴粫?huì)有其他CPU去更改內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，但是在多核CPU下，情況就變得更加復(fù)雜一些。多CPU中，每個(gè)CPU都有自己的私有緩存（可能共享L3緩存），當(dāng)一個(gè)CPU1對(duì)Cache中緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí)，如果CPU2在此之前更改了該數(shù)據(jù)，則CPU1中的數(shù)據(jù)就不再是“干凈”的，即應(yīng)該是失效數(shù)據(jù)，緩存一致性就是為了保證多CPU之間的緩存一致。

Linux系統(tǒng)中采用MESI協(xié)議處理緩存一致性，所謂MESI即是指CPU緩存的四種狀態(tài)：

M（修改，Modified）：本地處理器已經(jīng)修改緩存行，即是臟行，它的內(nèi)容與內(nèi)存中的內(nèi)容不一樣，并且此 cache 只有本地一個(gè)拷貝(專(zhuān)有)；
E（專(zhuān)有，Exclusive）：緩存行內(nèi)容和內(nèi)存中的一樣，而且其它處理器都沒(méi)有這行數(shù)據(jù)；
S（共享，Shared）：緩存行內(nèi)容和內(nèi)存中的一樣, 有可能其它處理器也存在此緩存行的拷貝；
I（無(wú)效，Invalid）：緩存行失效, 不能使用。

每個(gè)CPU緩存行都在四個(gè)狀態(tài)之間互相轉(zhuǎn)換，以此決定CPU緩存是否失效，比如CPU1對(duì)一個(gè)緩存行執(zhí)行了寫(xiě)入操作，則此操作會(huì)導(dǎo)致其他CPU的該緩存行進(jìn)入Invalid無(wú)效狀態(tài)，CPU需要使用該緩存行的時(shí)候需要從內(nèi)存中重新讀取。由此就解決了多CPU之間的緩存一致性問(wèn)題。

偽共享

何謂偽共享？上面我們提過(guò)CPU的緩存是以緩存行為單位進(jìn)行的，即除了本身所需讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)之外還會(huì)緩存與該數(shù)據(jù)在同一緩存行的數(shù)據(jù)，假設(shè)緩存行大小是32字節(jié)，內(nèi)存中有“abcdefgh”八個(gè)int型數(shù)據(jù)，當(dāng)CPU讀取“d”這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，CPU會(huì)將“abcdefgh”八個(gè)int數(shù)據(jù)組成一個(gè)緩存行加入到CPU緩存中。假設(shè)計(jì)算機(jī)有兩個(gè)CPU：CPU1和CPU2，CPU1只對(duì)“a”這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻繁讀寫(xiě)，CPU2只對(duì)“b”這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻繁讀寫(xiě)，按理說(shuō)這兩個(gè)CPU讀寫(xiě)數(shù)據(jù)沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)，也就不會(huì)產(chǎn)生任何競(jìng)爭(zhēng)，不會(huì)有性能問(wèn)題，但是由于CPU緩存是以緩存行為單位進(jìn)行存取的，也是以緩存行為單位失效的，即使CPU1只更改了緩存行中“a”數(shù)據(jù)，也會(huì)導(dǎo)致CPU2中該緩存行完全失效，同理，CPU2對(duì)“b”的改動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致CPU1中該緩存行失效，由此引發(fā)了該緩存行在兩個(gè)CPU之間“乒乓”，緩存行頻繁失效，最終導(dǎo)致程序性能下降，這就是偽共享。

如何避免偽共享

避免偽共享主要有以下兩種方式：

1.緩存行填充（Padding）：為了避免偽共享就需要將可能造成偽共享的多個(gè)變量處于不同的緩存行中，可以采用在變量后面填充字節(jié)的方式達(dá)到該目的。

2.使用某些語(yǔ)言或編譯器中強(qiáng)制變量對(duì)齊，將變量都對(duì)齊到緩存行大小，避免偽共享發(fā)生。

總結(jié)

一般偽共享都很隱蔽，很難被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偽共享真正構(gòu)成性能瓶頸的時(shí)候，我們有必要去努力找到并解決它，但是在大部分對(duì)性能追求沒(méi)有那么高的應(yīng)用中，偽共享的存在對(duì)程序的危害很小，有時(shí)并不值得耗費(fèi)精力和額外的內(nèi)存空間（緩存行填充）去查找系統(tǒng)存在的偽共享。還是那句我一直以來(lái)遵循的話(huà)“不要過(guò)度優(yōu)化，不要提前優(yōu)化?！?。

以上就是淺談C++性能榨汁機(jī)之偽共享的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C++性能榨汁機(jī)之偽共享的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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