什麼是僞共享
CPU緩存系統中是以緩存行（cache line）爲單位存儲的。目前主流的CPU Cache 的 Cache Line 大小都是64Bytes。在多線程情況下，如果需要修改“共享同一個緩存行的變量”，就會無意中影響彼此的性能，這就是僞共享（False Sharing）。
CPU的三級緩存
由於CPU的速度遠遠大於內存速度，所以CPU設計者們就給CPU加上了緩存(CPU Cache)。 以免運算被內存速度拖累。CPU Cache 分成了三個級別：L1，L2，L3。級別越小越接近CPU, 所以速度也更快, 同時也代表着容量越小。
CPU獲取數據會依次從L1，L2，L3中查找，如果都找不到則會直接向內存查找。
緩存行
由於共享變量在CPU緩存中的存儲是以緩存行爲單位，一個緩存行可以存儲多個變量（存滿當前緩存行的字節數），而CPU對緩存的修改又是以緩存行爲最小單位的，那麼就會出現上訴的僞共享問題。
Cache Line 可以簡單的理解爲 CPU Cache 中的最小緩存單位。當你讀一個特定的內存地址，整個緩存行將從主存換入緩存，並且訪問同一個緩存行內的其它值的開銷是很小的。
看如下代碼示例：
int[] arr = new int[64 * 1024 * 1024];
long start = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
arr[i] *= 3;
}
System.out.println(System.nanoTime() - start);
long start2 = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < arr.length; i += 16) {
arr[i] *= 3;
}
System.out.println(System.nanoTime() - start2);
表面上看，第二個循環工作量爲第一個循環的1/16；但是執行時間是相差不大的，假設在內存規整的情況下，每16個int 佔用4*16=64字節，正好一個緩存行，也就是說這兩個循環訪問內存的次數是一致的。導致耗時相差不大。
緩存關聯性
目前常用的緩存設計是N路組關聯(N-Way Set Associative Cache)，他的原理是把一個緩存按照N個 Cache Line 作爲一組（Set），緩存按組劃爲等分。每個內存塊能夠被映射到相對應的set中的任意一個緩存行中。比如一個16路緩存，16個 Cache Line 作爲一個Set，每個內存塊能夠被映射到Set中的16個 CacheLine 的任意一個。一般地，具有一定相同低bit位地址的內存塊將共享同一個Set。
下圖爲一個 2-Way 的 Cache。由圖中可以看到 Main Memory 中的 Index 0，2，4都映射在 Way 0 的不同 CacheLine 中，Index 1，3，5都映射在 Way 1 的不同 CacheLine 中。
MESI協議
多核CPU都有自己的專有緩存（一般爲L1，L2），以及同一個CPU插槽之間的核共享的緩存（一般爲L3）。不同核心的CPU緩存中難免會加載同樣的數據，那麼如何保證數據的一致性呢，就是MESI協議了。
在MESI協議中，每個Cache line有4個狀態，可用2個bit表示，它們分別是：
- M(Modified)：這行數據有效，數據被修改了，和內存中的數據不一致，數據只存在於本Cache中
- E(Exclusive)：這行數據有效，數據和內存中的數據一致，數據只存在於本Cache中
- S(Shared)：這行數據有效，數據和內存中的數據一致，數據存在於很多Cache中
- I(Invalid)：這行數據無效
那麼，假設有一個變量i=3（應該是包括變量i的緩存塊，塊大小爲緩存行大小）；已經加載到多核（a,b,c）的緩存中，此時該緩存行的狀態爲S；此時其中的一個核a改變了變量i的值，那麼在覈a中的當前緩存行的狀態將變爲M，b,c核中的當前緩存行狀態將變爲I。如下圖：
僞共享問題
那麼爲什麼會出現僞共享問題呢？上訴的情況再擴展一下，假設在多線程情況下，x，y兩個共享變量在同一個緩存行中，核a修改變量x，會導致核b，核c中的x變量和y變量同時失效。
此時對於在覈a上運行的線程，僅僅只是修改了了變量x，卻導致同一個緩存行中的所有變量都無效，需要重新刷緩存（並不一定代表每次都要從內存中重新載入，也有可能是從其他Cache中導入數據，具體的實現要看各個芯片廠商的實現了）。
假設此時在覈b上運行的線程，正好想要修改變量Y，那麼就會出現相互競爭，相互失效的情況，這就是僞共享。
Java對於僞共享的傳統解決方案
在Java 7 之前，可以通過以下方式進行填充解決僞共享的問題。但Java 7 開始會淘汰或重新排列無用字段，因此需採用其它填充方式。
public final class FalseSharing implements Runnable {
private final static int NUM_THREADS = 4; // change
private final static long ITERATIONS = 500L * 1000L * 1000L;
private final int arrayIndex;
private static VolatileLong[] longs = new VolatileLong[NUM_THREADS];
static {
for (int i = 0; i < longs.length; i++) {
longs[i] = new VolatileLong();
}
}
public FalseSharing(final int arrayIndex) {
this.arrayIndex = arrayIndex;
}
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 FalseSharing(i));
}
for (Thread t : threads) {
t.start();
}
for (Thread t : threads) {
t.join();
}
}
public void run() {
long i = ITERATIONS + 1;
while (0 != --i) {
longs[arrayIndex].value = i;
}
}
public final static class VolatileLong {
public volatile long value = 0L;
public long p1, p2, p3, p4, p5, p6;
}
}
Java 8 中的解決方案
Java8中新增了一個註解：@sun.misc.Contended。加上這個註解的類會自動補齊緩存行，需要注意的是此註解默認是無效的，需要在jvm啓動時設置 -XX:-RestrictContended 纔會生效。
運行結果：
@sun.misc.Contended
public final static class VolatileLong {
public volatile long value = 0L;
//public long p1, p2, p3, p4, p5, p6;
}
duration = 8987991013
參考文獻：