关于多线程同步的一切：伪共享

```c++
const size_t shm_size = 16*1024*1024; //16M
static char shm[shm_size];
std::atomic<size_t> shm_offset{0};


void f() {
   for (;;) {
       auto off = shm_offset.fetch_add(sizeof(long));
       if (off >= shm_size) break;
       *(long*)(shm + off) = off;
   }
}
` ` ` 

考察上面的程序，shm是一块16M字节的内存，我测试机器的L3 Cache是32M，所以挑选16M这个值确保shm数组在Cache里能存放得下。

f()函数在循环里，把shm视为long类型的数组，依次给每个元素赋值，shm_offset用于记录偏移位置，shm_offset.fetch_add(sizeof(long))原子性的增加shm_offset的值（因为x86_64系统上long的长度为8，所以shm_offset每次增加8字节），并返回增加前的值，对shm上long数组的每个元素赋值后，结束循环从函数返回。

因为shm_offset是atomic类型变量，所以多线程调用f()依然能正常工作，虽然多个线程会竞争shm_offset，但每个线程会排他性的对各long元素赋值，多线程并行会加快对shm的赋值操作。

我们加上多线程调用，代码如下：

```c++
std::atomic<size_t> step{0};


const int THREAD_NUM = 2;


void work_thread() {
   const int N = 10;
   for (int n = 1; n <= N; ++n) {
       f();
       ++step;
       while (step.load() < n * THREAD_NUM) {}
       shm_offset = 0;
   }
}


int main() {
   std::thread threads[THREAD_NUM];
   for (int i = 0; i < THREAD_NUM; ++i) {
       threads[i] = std::move(std::thread(work_thread));
   }
   for (int i = 0; i < THREAD_NUM; ++i) {
       threads[i].join();
   }
   return 0;
}
` ` `

- main函数里启动2个工作线程work_thread

- 工作线程对shm共计赋值N（10）轮，后面的每一轮会访问Cache里的shm数据，step用于work_thread之间每一轮的同步

- 工作线程调用完f()后会增加step，等2个工作线程都调用完之后，step的值增加到n * THREAD_NUM后，while()循环结束，重置shm_offset，重新开始新一轮对shm的赋值

编译后执行上面的程序，产生如下的结果：

 ` ` `
time ./a.out

real 0m3.406s
user 0m6.740s
sys 0m0.040s
 ` ` `

time命令用于时间测量，在a.out程序运行完成，会打印耗时，real行显式耗时3.4秒。

### 改进版f_fast

我们稍微修改一下f函数，改进版f函数取名f_fast：

```c++
void f_fast() {
   for (;;) {
       const long inner_loop = 16;
       auto off = shm_offset.fetch_add(sizeof(long) * inner_loop);
       for (long j = 0; j < inner_loop; ++j) {
           if (off >= shm_size) return;
           *(long*)(shm + off) = j;
           off += sizeof(long);
       }
   }
}
` ` `

for循环里，shm_offset不再是每次增加8字节（sizeof(long)），而是8*16=128字节，然后在内层的循环里，依次对16个long连续元素赋值，然后下一轮循环又再次增加128字节，直到完成对整个shm的赋值。

编译后重新执行程序，结果显示耗时降低到0.06秒，对比前一种耗时3.4秒，f_fast性能大幅提升。

` ` `
time ./a.out

real 0m0.062s
user 0m0.110s
sys 0m0.012s
` ` `

### f和f_fast的行为差异

shm数组总共有2M个long元素，因为16M / sizeof(long) => 2M

1. f()函数行为逻辑

- 线程1和线程2的work_thread里会交错地对shm元素赋值，shm的2M个long元素，会顺序的一个接一个的派给2个线程去赋值。

- 例如：可能元素1由线程1赋值，元素2由线程2赋值，然后元素3和元素4由线程1赋值，然后元素5由线程2赋值...

- 每次派元素的时候，shm_offset都会atomic的增加8字节，所以不会出现2个线程给1个元素赋值的情况

2. f_fast()函数行为逻辑

- 每次派元素的时候，shm_offset原子性的增加128字节（16个元素）

- 这16个字节作为一个整体，派给线程1或者线程2；虽然线程1和线程2还是会交错的操作shm元素，但是以16个元素（128字节）为单元，这16个连续的元素不会被分派到不同线程

- 一次派发的16个元素，会在内部循环里被一个接着一个的赋值，在一个线程里执行

### 为什么f_fast更快？

第一眼感觉是f_fast()里shm_offset.fetch_add()调用频次降低到了原来的1/16，我们有理由怀疑是原子变量的竞争减少导致程序执行速度加快。

为了验证，让我们在内层的循环里加一个原子变量test的fetch_add，test原子变量的竞争会像f()函数里shm_offset.fetch_add()一样被激烈竞争，修改后的f_fast代码变成下面这样：

```c++
void f_fast() {
   for (;;) {
       const long inner_loop = 16;
       auto off = shm_offset.fetch_add(sizeof(long) * inner_loop);
       for (long j = 0; j < inner_loop; ++j) {
           test.fetch_add(1);
           if (off >= shm_size) return;
           *(long*)(shm + off) = j;
           off += sizeof(long);
       }
   }
}
` ` `

为了避免test.fetch_add(1)的调用被编译器优化掉，我们在main函数的最后把test的值打印出来。

编译后测试一下，结果显示：执行时间只是稍微增加到real 0m0.326s。所以，很显然，并不是atomic的调用频次减少导致性能飙升。

我们重新审视f()循环里的逻辑：f()循环里的操作很简单：原子增加、判断、赋值。

会不会是赋值太慢？

我们把f()的里赋值注释掉，再测试一下，发现它的速度得到了很大提升，看来是\*(long\*)(shm + off) = off;这一行代码执行慢，但这明明只是一行赋值。

我们把它反汇编来看，它只是一个mov指令，源操作数是寄存器，目标操作数是内存地址，从寄存器拷贝数据到一个内存地址，而这个内存数据应该被cache住了，为什么会这么慢呢？

### 答案

现在揭晓原因，导致f()性能底下的元凶是伪共享（false sharing），那什么是伪共享？

要说清这个问题，还得联系CPU的架构，以及CPU怎么访问数据，我们回顾一下关于多核Cache结构：

**背景知识**

我们知道现代CPU可以有多个核，每个核有自己的L1-L2缓存，L1又区分数据缓存（L1-DCache）和指令缓存（L1-ICache），L2不区分数据和指令Cache，而L3跨核共享，L3通过内存总线连接到内存，内存被所有CPU所有Core共享。

CPU访问L1 Cache的速度大约是访问内存的100倍，Cache作为CPU与内存之间的缓存，减少CPU对内存的访问频率。

从内存加载数据到Cache的时候，是以Cache Line为长度单位的，Cache Line的长度通常是64字节。

所以，那怕只读一个字节，但是包含该字节的整个Cache Line都会被加载到缓存，同样，如果修改一个字节，那么最终也会导致整个Cache Line被冲刷到内存。

如果一块内存数据被多个线程访问，假设多个线程在多个Core上并行执行，那么它便会被加载到多个Core的的Local Cache中；这些线程在哪个Core上运行，就会被加载到哪个Core的Local Cache中，所以，内存中的一个数据，在不同Core的Cache里会同时存在多份拷贝。

如果我们修改了Core1缓存里的某个数据，则该数据所在的Cache Line的状态需要同步给其他Core的缓存，Core之间可以通过核间消息同步状态，比如通过发送Invalidate消息给其他核，接收到该消息的核会把对应Cache Line置为无效，然后重新从内存里加载最新数据。

被加载到多个Core缓存中的同一Cache Line，会被标记为共享（Shared）状态，对共享状态的缓存行进行修改，需要先获取缓存行的修改权（独占），MESI协议用来保证多核缓存的一致性，更多的细节可以参考MESI资料。

**示例分析**

现在来看看我们的程序。

假设线程1运行在Core1，线程2运行在Core2。

- 因为shm被线程1和线程2这两个线程并发访问，所以shm的内存数据会以Cache Line粒度，被同时加载到2个Core的Cache，因为被多核共享，所以该Cache Line被标注为Shared状态。

- 假设线程1在offset为64的位置写入了一个8字节的数据（sizeof(long)），要修改一个状态为Shared的Cache Line，Core1会发送核间通信消息到Core2，去拿到该Cache Line的独占权，在这之后，Core1才能修改Local Cache。

- 线程1执行完shm\_offset.fetch\_add(sizeof(long))后，shm_offset会增加到72。

- 这时候Core2上运行的线程2也会执行shm\_offset.fetch\_add(sizeof(long))，它返回72并将shm_offset增加到80。

- 线程2接下来要修改shm[72]的内存位置，因为shm[64]和shm[72]在一个Cache Line，而这个Cache Line又被置为Invalidate，所以，它需要从内存里重新加载这一个Cache Line，而在这之前，Core1上的线程1需要把Cache Line冲刷到内存，这样线程2才能加载最新的数据。

这种交替执行模式，相当于Core1和Core2之间需要频繁的发送核间消息，收到消息的Core的对应Cache Line被置为无效，并重新从内存里加载数据到Cache，每次修改后都需要把Cache中的数据刷入内存。

这其实相当于废弃掉了Cache，因为每次读写都直接跟内存打交道，Cache的作用不复存在，性能下降。

多核多线程程序，因为并发读写同一个Cache Line的数据（临近位置的内存数据），导致Cache Line的频繁失效，内存的频繁Load/Store，从而导致性能急剧下降的现象叫伪共享，伪共享是性能杀手。

### 另一个伪共享的例子

假设线程x和y，分别修改Data的a和b变量，如果被频繁调用，根据前面的分析，也会出现性能低下的情况，怎么规避呢？

```c++
struct Data {
   int a;
   int b;
};

Data data; // global

void thread1() {
   data.a = 1;
}

void thread2() {
   data.b = 2;
}
` ` `

**空间换时间**

避免Cache伪共享导致性能下降的思路是用空间换时间，通过在a和b成员之间增加填充，让a、b两个变量分布到不同的Cache Line，这样对a和b的修改就会作用于不同Cache Line，就能避免Cache line失效的问题。

```c++
struct Data {
   int a;
   int padding[60];
   int b;
};
` ` `

在Linux kernel中存在__cacheline_aligned_in_smp宏定义用于解决false sharing问题。

```c
#ifdef CONFIG_SMP
#define __cacheline_aligned_in_smp __cacheline_aligned
#else
#define __cacheline_aligned_in_smp
#endif

struct Data {
   int a;
   int b __cacheline_aligned_in_smp;
};
` ` ` 

从上面的宏定义，我们可以看到：

- 在多核（MP）系统里，该宏定义是 __cacheline_aligned，也就是Cache Line的大小

- 在单核系统里，该宏定义是空的

### 伪共享的疑问

既然多CPU多核并发读写一个Cache Line里的内存数据，会出现伪共享，那么，我们对atomic<size\_t> shm\_offset的fetch_add()操作也满足这个条件，多个线程同时对同一个shm_offset变量并发读写，那为什么性能不会很差呢？

我们反汇编发现atomic.fetch\_add会被翻译成lock; xadd %rax (%rdx)，lock是一个指令前缀，配合其他指令使用。

bus lock做的事情就是锁住总线，然后执行后面的xadd，在此期间，别的线程都不能访问任何内存数据。

实际上，锁总线的操作比较重，相当于全局的内存总线锁，lock前缀之后的指令操作就直接作用于内存，bypass掉缓存，lock也相当于内存屏障。

但翻看Intel手册发现，执行lock指令，CPU会根据情况自行决定到底是锁缓存，还是assert #LOCK signal（锁总线）。

如果访问的内存区域已经缓存在处理器的缓存行中，Intel的现代处理器则不会assert #LOCK信号，它会对CPU的缓存中的缓存行进行锁定，在锁定期间，其它CPU不能同时缓存此数据，在修改之后，通过缓存一致性协议来保证修改的原子性，这个操作被称为“缓存锁”。

false sharing对应的是多线程同时读写一个Cache Line的多个数据，Core-A修改数据x后，会置Cache Line为Invalid，Core-B读该缓存行的另一个数据y，需要Core-A把Cache Line Store到内存，Core-B再从内存里Load对应Cache Line，数据要过内存。

而atomic，多个线程修改的是同一个变量。lock指令前缀，应该会用到缓存锁（锁Cache Line），atomic在Cache Line里的最新值通过核间消息发送给其他核就可以了，不需要频繁的Store/Load，所以性能不会那么糟。

不过，最后部分内容都是我猜的，没有查到相关的资料，纯靠脑补，如果读者知道细节，请你告诉我，好人一生平安。

本文由哈喽比特于1年以前收录，如有侵权请联系我们。
文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/LlYWo4BYqJQge_ejMUvzjg