@Contended / Disruptor 缓存行占满注解

电玩女神 2023-01-12 01:58 92阅读 0赞

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缓存行与伪共享

Disruptor 缓存行填充

@Contended

速度测试

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存储设备往往是速度越快价格越昂贵，速度越快价格越低廉。在计算机中，CPU 的速度远高于主存的速度，而主存的速度又远高于磁盘的速度。为了解决不同存储部件的速度不对等问题，让高速设备充分发挥性能，引入了多级缓存机制。

为了解决内存和 CPU 的速度不匹配问题，相继引入了 L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache，数字越小，容量越小，速度越快，位置越接近 CPU。

![图片][a6ccbd5c3a360104188cb30b2c8d93aa.png]

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现在的 CPU 都是由多个处理器，每个处理器由多个核心构成。一个处理器对应一个物理插槽，不同的处理器间通过 QPI 总线相连。一个处理器间的多核共享 L3 Cache。一个核包含寄存器、L1 Cache、L2 Cache，下图是Intel Sandy Bridge CPU架构：

![图片][0a214581d1cbcf6b6916784c900a36b0.png]

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## 缓存行与伪共享 ##

缓存中的数据并不是独立的进行存储的，它的最小存储单位是缓存行，缓存行的大小是2的整数幂个字节，最常见的缓存行大小是 64 字节。CPU 为了执行的高效，会在读取某个对象时，从内存上加载 64 的整数倍的长度，来补齐缓存行。

以 Java 的 long 类型为例，它是 8 个字节，假设我们存在一个长度为 8 的 long 数组 arr，那么CPU 在读取 arr\[0\] 时，首先查询缓存，缓存没有命中，缓存就会去内存中加载。由于缓存的最小存储单位是缓存行，64 字节，且数组的内存地址是连续的，则将 arr\[0\] 到 arr\[7\] 加载到缓存中。后续 CPU 查询 arr\[6\] 时候也可以直接命中缓存。

![图片][fb65df7e9be306030f6fd1e17e384e1e.png]

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现在假设多线程情况下，线程 A 的执行者 CPU Core-1 读取 arr\[1\]，首先查询缓存，缓存没有命中，缓存就会去内存中加载。从内存中读取 arr\[1\] 起的连续的 64 个字节地址到缓存中，组成缓存行。由于从arr\[1\] 起，arr 的长度不足够 64 个字节，只够 56 个字节。假设最后 8 个字节内存地址上存储的是对象 bar，那么对象 bar 也会被一起加载到缓存行中。

![图片][970c80bc0b354f1f80a05d8dbe1c44a3.png]

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现在有另一个线程 B，线程 B 的执行者 CPU Core-2 去读取对象 bar，首先查询缓存，发现命中了，因为 Core-1 在读取 arr 数组的时候也顺带着把 bar 加载到了缓存中。

这就是缓存行共享，听起来不错，但是一旦牵扯到了写入操作就不妙了。

假设 Core-1 想要更新 arr\[7\] 的值，根据 CPU 的 MESI 协议，那么它所属的缓存行就会被标记为失效。因为它需要告诉其他的 Core，这个 arr\[7\] 的值已经被更新了，缓存已经不再准确了，你必须得重新去内存拉取。但是由于缓存的最小单元是缓存行，因此只能把 arr\[7\] 所在的一整行给标识为失效。

此时 Core-2 就会很郁闷了，刚刚还能够从缓存中读取到对象 bar，现在再读取却被告知缓存行失效，必须得去内存重新拉取，延缓了 Core-2 的执行效率。

这就是缓存伪共享问题，两个毫无关联的线程执行，一个线程却因为另一个线程的操作，导致缓存失效。这两个线程其实就是对同一缓存行产生了竞争，降低了并发性。

## Disruptor 缓存行填充 ##

Disruptor 为了解决伪共享问题，使用的方法是缓存行填充。这是一种以空间换时间的策略，主要思想就是通过往对象中填充无意义的变量，来保证整个对象独占缓存行。

举个例子，以 Disruptor 中的 Sequence 为例，在 volatile long value 的前后各放置了 7 个 long 型变量，确保 value 独占一个缓存行。

public class Sequence extends RhsPadding {
        private static final long VALUE_OFFSET;
        
        static {
            VALUE_OFFSET = UNSAFE.objectFieldOffset(Value.class.getDeclaredField("value"));
            ...
        }
        ...
    }
    
    class RhsPadding extends Value {
        protected long p9, p10, p11, p12, p13, p14, p15;
    }
    
    class Value extends LhsPadding {
        protected volatile long value;
    }
    
    class LhsPadding {
        protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    }

如下图所示，其中 V 就是 Value 类的 value，P 为 value 前后填充的无意义 long 型变量，U 为其它无关的变量。不论什么情况下，都能保证 V 不和其他无关的变量处于同一缓存行中，这样 V 就不会被其他无关的变量所影响。

![图片][461f0b5778e925758daa394ef75a0ff2.png]Padding 填充

这里的 V 也不限定为 long 类型，其实只要对象的大小大于等于8个字节，通过前后各填充 7 个 long 型变量，就一定能够保证独占缓存行。

此处以 Disruptor 的 RingBuffer 为例，最左边的 7 个 long 型变量被定义在顶级父类 RingBufferPad 中，最右边的 7 个 long 型变量被定义在 RingBuffer 的最后一行变量定义中，这样所有的需要独占的变量都被左右 long 型给包围，确保会独占缓存行。

public final class RingBuffer<E> extends RingBufferFields<E> implements Cursored, EventSequencer<E>, EventSink<E> {
        public static final long INITIAL_CURSOR_VALUE = Sequence.INITIAL_VALUE;
        protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
        ...
    }
    
    abstract class RingBufferFields<E> extends RingBufferPad
    {
        ...
    }
    
    abstract class RingBufferPad {
        protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    }

## @Contended ##

在 JDK 1.8 中，提供了 @sun.misc.Contended 注解，使用该注解就可以让变量独占缓存行，不再需要手动填充了。注意，JVM 需要添加参数 -XX:-RestrictContended 才能开启此功能。

如果该注解被定义在了类上，表示该类的每个变量都会独占缓存行；如果被定义在了变量上，通过指定 groupName，相同的 groupName 会独占同一缓存行。

// 类前加上代表整个类的每个变量都会在单独的cache line中
    @sun.misc.Contended
    public class ContendedData {
        int value;
        long modifyTime;
        boolean flag;
        long createTime;
        char key;
    }
    
    // 同一 groupName 在同一缓存行
    public class ContendedGroupData {
        @sun.misc.Contended("group1")
        int value;
        @sun.misc.Contended("group1")
        long modifyTime;
        @sun.misc.Contended("group2")
        boolean flag;
        @sun.misc.Contended("group3")
        long createTime;
        @sun.misc.Contended("group3")
        char key;
    }

@Contended 在 JDK 源码中已经有所应用，以 Thread 类为例，为了保证多线程情况下随机数的操作不会产生伪共享，相关的变量被设置为同一 groupName。

public class Thread implements Runnable {
        ...
        // The following three initially uninitialized fields are exclusively
        // managed by class java.util.concurrent.ThreadLocalRandom. These
        // fields are used to build the high-performance PRNGs in the
        // concurrent code, and we can not risk accidental false sharing.
        // Hence, the fields are isolated with @Contended.
    
        /** The current seed for a ThreadLocalRandom */
        @sun.misc.Contended("tlr")
        long threadLocalRandomSeed;
    
        /** Probe hash value; nonzero if threadLocalRandomSeed initialized */
        @sun.misc.Contended("tlr")
        int threadLocalRandomProbe;
    
        /** Secondary seed isolated from public ThreadLocalRandom sequence */
        @sun.misc.Contended("tlr")
        int threadLocalRandomSecondarySeed;
        
        ...
    }

## 速度测试 ##

将 volatile long value 封装为对象，四线程并行，每个线程循环 1 亿次，对 value 进行更新操作，测试缓存行对速度的影响。

CPU：AMD 3600 3.6 GHz，Memory：16 GB

![图片][5282d41b1f719955e2497cfb1a7f9617.png]

[a6ccbd5c3a360104188cb30b2c8d93aa.png]: /images/20221119/9ec3442d1e25440da26454f39e7b5869.png
[0a214581d1cbcf6b6916784c900a36b0.png]: /images/20221119/7e1bd80a818541a4a89c47f5fcc9a822.png
[fb65df7e9be306030f6fd1e17e384e1e.png]: /images/20221119/9889603b79cc4deb8fed24fd180194ec.png
[970c80bc0b354f1f80a05d8dbe1c44a3.png]: /images/20221119/9c99993a16fb4aa1a752141cd8368617.png
[461f0b5778e925758daa394ef75a0ff2.png]: /images/20221119/4c7582fc65484f72a2c541ff20dbbdee.png
[5282d41b1f719955e2497cfb1a7f9617.png]: /images/20221119/8118da073ef04e7c844d18bcaf0677ce.png