作者：jitwxs
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存儲設備往往是速度越快價格越昂貴，速度越快價格越低廉。在計算機中，CPU 的速度遠高於主存的速度，而主存的速度又遠高於磁盤的速度。爲了解決不同存儲部件的速度不對等問題，讓高速設備充分發揮性能，引入了多級緩存機制。
爲了解決內存和 CPU 的速度不匹配問題，相繼引入了 L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache，數字越小，容量越小，速度越快，位置越接近 CPU。
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現在的 CPU 都是由多個處理器，每個處理器由多個核心構成。一個處理器對應一個物理插槽，不同的處理器間通過 QPI 總線相連。一個處理器間的多核共享 L3 Cache。一個核包含寄存器、L1 Cache、L2 Cache，下圖是Intel Sandy Bridge CPU架構：
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緩存行與僞共享
緩存中的數據並不是獨立的進行存儲的，它的最小存儲單位是緩存行，緩存行的大小是2的整數冪個字節，最常見的緩存行大小是 64 字節。CPU 爲了執行的高效，會在讀取某個對象時，從內存上加載 64 的整數倍的長度，來補齊緩存行。
以 Java 的 long 類型爲例，它是 8 個字節，假設我們存在一個長度爲 8 的 long 數組 arr，那麼CPU 在讀取 arr[0] 時，首先查詢緩存，緩存沒有命中，緩存就會去內存中加載。由於緩存的最小存儲單位是緩存行，64 字節，且數組的內存地址是連續的，則將 arr[0] 到 arr[7] 加載到緩存中。後續 CPU 查詢 arr[6] 時候也可以直接命中緩存。
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現在假設多線程情況下，線程 A 的執行者 CPU Core-1 讀取 arr[1]，首先查詢緩存，緩存沒有命中，緩存就會去內存中加載。從內存中讀取 arr[1] 起的連續的 64 個字節地址到緩存中，組成緩存行。由於從arr[1] 起，arr 的長度不足夠 64 個字節，只夠 56 個字節。假設最後 8 個字節內存地址上存儲的是對象 bar，那麼對象 bar 也會被一起加載到緩存行中。
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現在有另一個線程 B，線程 B 的執行者 CPU Core-2 去讀取對象 bar，首先查詢緩存，發現命中了，因爲 Core-1 在讀取 arr 數組的時候也順帶着把 bar 加載到了緩存中。
這就是緩存行共享，聽起來不錯，但是一旦牽扯到了寫入操作就不妙了。
假設 Core-1 想要更新 arr[7] 的值，根據 CPU 的 MESI 協議，那麼它所屬的緩存行就會被標記爲失效。因爲它需要告訴其他的 Core，這個 arr[7] 的值已經被更新了，緩存已經不再準確了，你必須得重新去內存拉取。但是由於緩存的最小單元是緩存行，因此只能把 arr[7] 所在的一整行給標識爲失效。
此時 Core-2 就會很鬱悶了，剛剛還能夠從緩存中讀取到對象 bar，現在再讀取卻被告知緩存行失效，必須得去內存重新拉取，延緩了 Core-2 的執行效率。
這就是緩存僞共享問題，兩個毫無關聯的線程執行，一個線程卻因爲另一個線程的操作，導致緩存失效。這兩個線程其實就是對同一緩存行產生了競爭，降低了併發性。
Disruptor 緩存行填充
Disruptor 爲了解決僞共享問題，使用的方法是緩存行填充。這是一種以空間換時間的策略，主要思想就是通過往對象中填充無意義的變量，來保證整個對象獨佔緩存行。
舉個例子，以 Disruptor 中的 Sequence 爲例，在 volatile long value 的前後各放置了 7 個 long 型變量，確保 value 獨佔一個緩存行。
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;
}
如下圖所示，其中 V 就是 Value 類的 value，P 爲 value 前後填充的無意義 long 型變量，U 爲其它無關的變量。不論什麼情況下，都能保證 V 不和其他無關的變量處於同一緩存行中，這樣 V 就不會被其他無關的變量所影響。
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Padding 填充
這裏的 V 也不限定爲 long 類型，其實只要對象的大小大於等於8個字節，通過前後各填充 7 個 long 型變量，就一定能夠保證獨佔緩存行。
此處以 Disruptor 的 RingBuffer 爲例，最左邊的 7 個 long 型變量被定義在頂級父類 RingBufferPad 中，最右邊的 7 個 long 型變量被定義在 RingBuffer 的最後一行變量定義中，這樣所有的需要獨佔的變量都被左右 long 型給包圍，確保會獨佔緩存行。
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 註解，使用該註解就可以讓變量獨佔緩存行，不再需要手動填充了。注意，JVM 需要添加參數 -XX:-RestrictContended 才能開啓此功能。
如果該註解被定義在了類上，表示該類的每個變量都會獨佔緩存行；如果被定義在了變量上，通過指定 groupName，相同的 groupName 會獨佔同一緩存行。
// 類前加上代表整個類的每個變量都會在單獨的cache line中
@sun.misc.Contended
public class ContendedData {
int value;
long modifyTime;
boolean flag;
long createTime;
char key;
}
// 同一 groupName 在同一緩存行
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 源碼中已經有所應用，以 Thread 類爲例，爲了保證多線程情況下隨機數的操作不會產生僞共享，相關的變量被設置爲同一 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;
...
}
速度測試
將 volatile long value 封裝爲對象，四線程並行，每個線程循環 1 億次，對 value 進行更新操作，測試緩存行對速度的影響。
CPU：AMD 3600 3.6 GHz，Memory：16 GB
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