Java中什么是伪共享？有什么解决方案？

wufei123 2025-01-26 阅读:61 评论:0

伪共享：隐秘的性能杀手伪共享是指多个线程同时访问不同变量，但这些变量位于同一缓存行中。这会导致缓存行失效，降低性能。解决方案包括：缓存行填充：通过填充字段来增加变量之间的距离，避免其位于同一缓存行中。使用更细粒度的锁：只锁定真正需要访问的数...

伪共享：隐秘的性能杀手伪共享是指多个线程同时访问不同变量，但这些变量位于同一缓存行中。这会导致缓存行失效，降低性能。解决方案包括：缓存行填充：通过填充字段来增加变量之间的距离，避免其位于同一缓存行中。使用更细粒度的锁：只锁定真正需要访问的数据。重新设计数据结构：以减少伪共享的可能性。

Java里的伪共享：幽灵般的性能杀手

你是否曾经遇到过这种情况：你的多线程Java程序性能奇差，代码逻辑看似完美无缺，CPU占用率却居高不下？罪魁祸首，可能就是潜伏在内存深处的“伪共享”这个幽灵。

这篇文章会带你揭开伪共享的神秘面纱，深入剖析其成因，并提供一些行之有效的解决方案。读完之后，你将能够识别并解决由伪共享引起的性能瓶颈，编写出更高效的多线程Java代码。

伪共享的本质

简单来说，伪共享是指多个线程同时访问不同变量，但这些变量恰好位于同一缓存行中。由于缓存行是CPU缓存的基本单位，当一个线程修改了缓存行中的某个变量，即使其他线程访问的是不同的变量，整个缓存行也会失效，导致其他线程不得不重新从主内存加载数据，从而引发性能损失。这就好比一群人共用一个房间，一个人打翻了水杯，其他人也得跟着收拾残局。

这看似微不足道，但累积起来的影响却极其巨大。想象一下，在高并发环境下，成千上万个线程都在争抢同一个缓存行，那性能下降的程度可想而知。

缓存行与Java内存模型

要理解伪共享，我们需要对CPU缓存和Java内存模型有一些基本的了解。CPU缓存分层结构，L1、L2、L3缓存，速度依次降低，容量依次增大。缓存行是缓存的基本单位，大小通常是64字节。Java内存模型定义了主内存和工作内存，线程之间通过主内存进行数据交换。伪共享正是发生在缓存行和Java内存模型交互过程中的一个微妙问题。

一个简单的例子

让我们来看一个简单的例子，假设有两个线程分别修改两个long类型的变量：

PHP

public class FalseSharing {

    private static final int NUM_THREADS = 4;
    private static final long ITERATIONS = 10000000L;

    private static volatile long[] longs = new long[NUM_THREADS];

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[NUM_THREADS];
        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                long i1 = 0;
                for (long j = 0; j < ITERATIONS; j++) {
                    longs[ThreadLocalRandom.current().nextInt(NUM_THREADS)] += 1;
                    i1 += 1;
                }
            });
        }
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (Thread t : threads) {
            t.start();
        }
        for (Thread t : threads) {
            t.join();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Time taken: " + (end - start) + "ms");
    }
}

在这个例子中，如果longs数组的元素恰好位于同一缓存行，那么就会发生伪共享。每个线程的更新都会导致缓存行失效，从而降低性能。

解决方案：缓存行填充

解决伪共享最有效的方法是通过缓存行填充来避免多个变量位于同一缓存行中。我们可以使用填充字段来增加变量之间的距离，确保它们位于不同的缓存行中：

PHP

public class FalseSharingSolution {

    private static final int NUM_THREADS = 4;
    private static final long ITERATIONS = 10000000L;

    private static class LongWrapper {
        long value;
        long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7; // Padding
    }

    private static volatile LongWrapper[] longs = new LongWrapper[NUM_THREADS];

    static {
        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            longs[i] = new LongWrapper();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // ... (rest of the code is similar to the previous example)
    }
}

在这个例子中，我们使用了LongWrapper类来包装long变量，并添加了填充字段p1到p7。这些填充字段会占用足够的内存空间，确保value变量位于不同的缓存行中，从而避免伪共享。

其他解决方案与经验总结

除了缓存行填充，还有其他一些方法可以缓解伪共享问题，例如使用更细粒度的锁，或者重新设计数据结构。但是，缓存行填充通常是最简单有效的方案。

需要注意的是，伪共享并非总是显而易见的。它往往隐藏在复杂的代码中，需要仔细分析和调试才能发现。因此，在编写高性能多线程Java代码时，务必注意潜在的伪共享问题，并采取相应的措施进行优化。经验告诉我，预先考虑潜在的伪共享问题，并进行合理的代码设计，比事后补救要高效得多。不要等到性能问题爆发才去寻找原因，这会浪费大量的时间和精力。记住，编写高效的代码，是一个持续学习和改进的过程。

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