多線程中的volatile和僞共享

僞共享 false sharing，顧名思義，“僞共享”就是“其實不是共享”。那什麼是“共享”？多CPU同時訪問同一塊內存區域就是“共享”，就會產生衝突，需要控制協議來協調訪問。會引起“共享”的最小內存區域大小就是一個cache line。因此，當兩個以上CPU都要訪問同一個cache line大小的內存區域時，就會引起衝突，這種情況就叫“共享”。但是，這種情況裏面又包含了“其實不是共享”的“僞共享”情況。比如，兩個處理器各要訪問一個word，這兩個word卻存在於同一個cache line大小的區域裏，這時，從應用邏輯層面說，這兩個處理器並沒有共享內存，因爲他們訪問的是不同的內容（不同的word）。但是因爲cache line的存在和限制，這兩個CPU要訪問這兩個不同的word時，卻一定要訪問同一個cache line塊，產生了事實上的“共享”。顯然，由於cache line大小限制帶來的這種“僞共享”是我們不想要的，會浪費系統資源。

　　緩存系統中是以緩存行（cache line）爲單位存儲的。緩存行是2的整數冪個連續字節，一般爲32-256個字節。最常見的緩存行大小是64個字節。當多線程修改互相獨立的變量時，如果這些變量共享同一個緩存行，就會無意中影響彼此的性能，這就是僞共享。緩存行上的寫競爭是運行在SMP系統中並行線程實現可伸縮性最重要的限制因素。有人將僞共享描述成無聲的性能殺手，因爲從代碼中很難看清楚是否會出現僞共享。

　　爲了讓可伸縮性與線程數呈線性關係，就必須確保不會有兩個線程往同一個變量或緩存行中寫。兩個線程寫同一個變量可以在代碼中發現。爲了確定互相獨立的變量是否共享了同一個緩存行，就需要了解內存佈局，或找個工具告訴我們。Intel VTune就是這樣一個分析工具。

　　圖1說明了僞共享的問題。在覈心1上運行的線程想更新變量X，同時核心2上的線程想要更新變量Y。不幸的是，這兩個變量在同一個緩存行中。每個線程都要去競爭緩存行的所有權來更新變量。如果核心1獲得了所有權，緩存子系統將會使核心2中對應的緩存行失效。當核心2獲得了所有權然後執行更新操作，核心1就要使自己對應的緩存行失效。這會來來回回的經過L3緩存，大大影響了性能。如果互相競爭的核心位於不同的插槽，就要額外橫跨插槽連接，問題可能更加嚴重。

　　Java Memory Layout Java內存佈局，在項目開發中，大多使用HotSpot的JVM，hotspot中對象都有兩個字(四字節)長的對象頭。第一個字是由24位哈希碼和8位標誌位（如鎖的狀態或作爲鎖對象）組成的Mark Word。第二個字是對象所屬類的引用。如果是數組對象還需要一個額外的字來存儲數組的長度。每個對象的起始地址都對齊於8字節以提高性能。因此當封裝對象的時候爲了高效率，對象字段聲明的順序會被重排序成下列基於字節大小的順序：

double (8字節) 和 long (8字節)
int (4字節) 和 float (4字節)
short (2字節) 和 char (2字節)：char在java中是2個字節。java採用unicode，2個字節（16位）來表示一個字符。
boolean (1字節) 和 byte (1字節)
reference引用 (4/8 字節)
<子類字段重複上述順序>

在瞭解這些之後，就可以在任意字段間用7個long來填充緩存行。僞共享在不同的JDK下提供了不同的解決方案。

　　在JDK1.6環境下，解決僞共享的辦法是使用緩存行填充，使一個對象佔用的內存大小剛好爲64bytes或它的整數倍，這樣就保證了一個緩存行裏不會有多個對象。

package basic;

public class TestFlash implements Runnable {

    public final static int  NUM_THREADS = 4;                   // change
    public final static long ITERATIONS  = 500L * 1000L * 1000L;
    private final int        arrayIndex;

    /**
     * 爲了展示其性能影響，我們啓動幾個線程，每個都更新它自己獨立的計數器。計數器是volatile long類型的，所以其它線程能看到它們的進展。
     */
    public final static class VolatileLong {

        /* 用volatile[ˈvɑ:lətl]修飾的變量，線程在每次使用變量的時候，JVM虛擬機只保證從主內存加載到線程工作內存的值是最新的 */
        public volatile long value = 0L;

        /* 緩衝行填充 */
        /* 37370571461 ：不使用緩衝行執行納秒數 */
        /* 16174480826 ：使用緩衝行執行納秒數，性能提高一半 */
        public long          p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    }

    private static VolatileLong[] longs = new VolatileLong[NUM_THREADS];
    static {
        for (int i = 0; i < longs.length; i++) {
            longs[i] = new VolatileLong();
        }
    }

    public TestFlash(final int arrayIndex){
        this.arrayIndex = arrayIndex;
    }

    /**
     * 我們不能確定這些VolatileLong會佈局在內存的什麼位置。它們是獨立的對象。但是經驗告訴我們同一時間分配的對象趨向集中於一塊。
     */
    public static void main(final String[] args) throws Exception {
        final long start = System.nanoTime();
        runTest();
        System.out.println("duration = " + (System.nanoTime() - start));
    }

    private static void runTest() throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[NUM_THREADS];

        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i] = new Thread(new TestFlash(i));
        }

        for (Thread t : threads) {
            t.start();
        }

        for (Thread t : threads) {
            t.join();
        }
    }

    /*
     * 爲了展示其性能影響，我們啓動幾個線程，每個都更新它自己獨立的計數器。計數器是volatile long類型的，所以其它線程能看到它們的進展
     */
    @Override
    public void run() {
        long i = ITERATIONS + 1;
        while (0 != --i) {
            longs[arrayIndex].value = i;
        }
    }
}

VolatileLong通過填充一些無用的字段p1,p2,p3,p4,p5,p6，再考慮到對象頭也佔用8bit, 剛好把對象佔用的內存擴展到剛好佔64bytes（或者64bytes的整數倍）。這樣就避免了一個緩存行中加載多個對象。但這個方法現在只能適應JAVA6 及以前的版本了。

　　在jdk1.7環境下，由於java 7會優化掉無用的字段。因此，JAVA 7下做緩存行填充更麻煩了，需要使用繼承的辦法來避免填充被優化掉。把填充放在基類裏面，可以避免優化（這好像沒有什麼道理好講的，JAVA7的內存優化算法問題，能繞則繞）。

package basic;

public class TestFlashONJDK7 implements Runnable {

    public static int             NUM_THREADS = 4;
    public final static long      ITERATIONS  = 500L * 1000L * 1000L;
    private final int             arrayIndex;
    private static VolatileLong[] longs;

    public TestFlashONJDK7(final int arrayIndex){
        this.arrayIndex = arrayIndex;
    }

    public static void main(final String[] args) throws Exception {
        Thread.sleep(10000);
        System.out.println("starting....");
        if (args.length == 1) {
            NUM_THREADS = Integer.parseInt(args[0]);
        }

        longs = new VolatileLong[NUM_THREADS];
        for (int i = 0; i < longs.length; i++) {
            longs[i] = new VolatileLong();
        }
        final long start = System.nanoTime();
        runTest();
        System.out.println("duration = " + (System.nanoTime() - start));
    }

    private static void runTest() throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[NUM_THREADS];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i] = new Thread(new TestFlashONJDK7(i));
        }
        for (Thread t : threads) {
            t.start();
        }
        for (Thread t : threads) {
            t.join();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        long i = ITERATIONS + 1;
        while (0 != --i) {
            longs[arrayIndex].value = i;
        }
    }
}

class VolatileLong extends VolatileLongPadding {

    public volatile long value = 0L;
}

class VolatileLongPadding {

    public volatile long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
}

在jdk1.8環境下，緩存行填充終於被JAVA原生支持了。JAVA 8中添加了一個@Contended的註解，添加這個的註解，將會在自動進行緩存行填充。以上的例子可以改爲：

package basic;

public class TestFlashONJDK8 implements Runnable {

    public static int             NUM_THREADS = 4;
    public final static long      ITERATIONS  = 500L * 1000L * 1000L;
    private final int             arrayIndex;
    private static VolatileLong[] longs;

    public TestFlashONJDK8(final int arrayIndex){
        this.arrayIndex = arrayIndex;
    }

    public static void main(final String[] args) throws Exception {
        Thread.sleep(10000);
        System.out.println("starting....");
        if (args.length == 1) {
            NUM_THREADS = Integer.parseInt(args[0]);
        }

        longs = new VolatileLong[NUM_THREADS];
        for (int i = 0; i < longs.length; i++) {
            longs[i] = new VolatileLong();
        }
        final long start = System.nanoTime();
        runTest();
        System.out.println("duration = " + (System.nanoTime() - start));
    }

    private static void runTest() throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[NUM_THREADS];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i] = new Thread(new TestFlashONJDK8(i));
        }
        for (Thread t : threads) {
            t.start();
        }
        for (Thread t : threads) {
            t.join();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        long i = ITERATIONS + 1;
        while (0 != --i) {
            longs[arrayIndex].value = i;
        }
    }
}

@Contended

class VolatileLong { 

　　public volatile long value = 0L; 
}

執行時，必須加上虛擬機參數-XX:-RestrictContended，@Contended註釋纔會生效。很多文章把這個漏掉了，那樣的話實際上就沒有起作用。

補充：

byte字節 bit位 1byte=8bit

volatile說明

package basic;

public class TestVolatile {

    public static int count = 0;

    /* 即使使用volatile，依舊沒有達到我們期望的效果 */
    // public volatile static int count = 0;

    public static void increase() {
        try {
            // 延遲10毫秒，使得結果明顯
            Thread.sleep(10);
            count++;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    TestVolatile.increase();
                }
            }).start();
        }
        System.out.println("期望運行結果:10000");
        System.out.println("實際運行結果:" + TestVolatile.count);
    }
}

volatile關鍵字的使用：用volatile修飾的變量，線程在每次使用變量的時候，都會讀取變量修改後的最新值。但是由於操作不是原子性的，對於volatile修飾的變量，jvm虛擬機只是保證從主內存加載到線程工作內存的值是最新的。

在java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm運行時刻內存的分配。其中有一個內存區域是jvm虛擬機棧，每一個線程運行時都有一個線程棧，線程棧保存了線程運行時候變量值信息。當線程訪問某一個對象時候值的時候，首先通過對象的引用找到對應在堆內存的變量的值，然後把堆內存變量的具體值load到線程本地內存中，建立一個變量副本，之後線程就不再和對象在堆內存變量值有任何關係，而是直接修改副本變量的值，在修改完之後的某一個時刻（線程退出之前），自動把線程變量副本的值回寫到對象在堆中變量。這樣在堆中的對象的值就產生變化了。上面一幅圖描述這些交互，過程如下：

read and load 從主存複製變量到當前工作內存
use and assign 執行代碼，改變共享變量值（其中use and assign 可以多次出現）
store and write 用工作內存數據刷新主存相關內容

但是這些操作並不是原子性，也就是在read load之後，如果主內存count變量發生修改之後，線程工作內存中的值由於已經加載，不會產生對應的變化，所以計算出來的結果會和預期不一樣。對於volatile修飾的變量，JVM虛擬機只是保證從主內存加載到線程工作內存的值是最新的。例如假如線程1，線程2在進行read load操作中，發現主內存中count的值都是5，那麼都會加載這個最新的值。在線程1堆count進行修改之後，會write到主內存中，主內存中的count變量就會變爲6。線程2由於已經進行read,load操作，在進行運算之後，也會更新主內存count的變量值爲6。導致兩個線程即使使用volatile關鍵字修改之後，還是會存在併發的情況。

對於volatile修飾的變量，JVM虛擬機只能保證從主內存加載到線程工作內存的值是最新的。

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