CPU缓存的陷阱：你以为的加速器，可能是减速器

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2023-05-03 18:59:20

揭秘伪共享：多核处理器中的隐形杀手

什么是伪共享？

想象一下，你正在和几个朋友合作完成一项任务。每个朋友都有一块相同大小的白板，上面可以写字。但是，有一个问题：白板不能同时被多人使用。

在多核处理器系统中，伪共享类似于这个场景。当多个处理器核心同时访问同一块内存时，就会发生伪共享。每个核心都有自己的缓存，其中存储了该内存块的副本。然而，当其中一个核心更新内存时，其他核心的缓存副本就过时了。

这就像你的朋友更新了白板上的字迹，而其他朋友却不知道，仍然拿着过时的白板。他们必须重新查看白板才能获取最新信息，这浪费了时间。

伪共享如何发生？

伪共享通常有两种方式：

共享变量位于同一个缓存行中： 缓存行是处理器缓存的基本单位，通常为 64 字节。如果两个共享变量位于同一个缓存行中，则更新其中一个变量时，整个缓存行都会失效。其他核心必须从内存中重新加载整个缓存行，即使他们只访问了其中一个变量。
共享变量被过度填充： 过度填充是指存储在共享变量中的数据量超过了实际需要。这会导致共享变量的大小超过一个缓存行。更新共享变量时，整个缓存行都会失效，其他核心必须从内存中重新加载它。

伪共享的危害

伪共享可不是闹着玩的，它会造成严重后果：

降低性能： 处理器核心必须从内存中重新加载数据，这会增加延迟，降低程序性能。
增加功耗： 重新加载数据需要更多能量，从而增加功耗。
降低稳定性： 过时的缓存数据可能会导致处理器核心产生错误，甚至导致系统崩溃或数据损坏。

如何避免伪共享？

避免伪共享就像给你的朋友分发不同的白板，让他们同时工作而不会互相干扰。以下是几个方法：

使用编译器选项： 编译器提供选项来帮助避免伪共享。例如，GCC 中的 -falign-functions=16 选项将函数对齐到 16 字节边界，防止函数中的局部变量位于同一个缓存行中。
使用内存对齐： 内存对齐是将变量地址对齐到特定大小。这可以通过使用特殊函数来实现，例如 C 语言中的 posix_memalign()。
使用缓存行填充： 缓存行填充是在共享变量中添加额外的字节，以确保其大小超过一个缓存行。这有助于防止过度填充。

代码示例

以下是使用 posix_memalign() 进行内存对齐的 C 代码示例：

#include <stdlib.h>

int main() {
  int *x;
  posix_memalign((void **)&x, 64, sizeof(int));  // 将 x 对齐到 64 字节边界

  // 使用 x 就像平常一样...

  free(x);
  return 0;
}