cacheline 对 Go 程序的影响
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6年前
<p>首先来了解一下来自维基百科上关于CPU缓存的介绍。</p> <p>在计算机系统中，CPU高速缓存（英语：CPU Cache，在本文中简称缓存）是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。</p> <p>当处理器发出内存访问请求时，会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在（命中），则不经访问内存直接返回该数据；如果不存在（失效），则要先把内存中的相应数据载入缓存，再将其返回处理器。</p> <p>缓存之所以有效，主要是因为程序运行时对内存的访问呈现局部性（Locality）特征。这种局部性既包括空间局部性（Spatial Locality），也包括时间局部性（Temporal Locality）。有效利用这种局部性，缓存可以达到极高的命中率。</p> <p>在处理器看来，缓存是一个透明部件。因此，程序员通常无法直接干预对缓存的操作。但是，确实可以根据缓存的特点对程序代码实施特定优化，从而更好地利用缓存。</p> <p>结构上，一个直接映射（Direct Mapped）缓存由若干缓存块（Cache Block，或Cache Line）构成。每个缓存块存储具有连续内存地址的若干个存储单元。在32位计算机上这通常是一个双字（dword），即四个字节。因此，每个双字具有唯一的块内偏移量。每个缓存块还可对应若干标志位，包括有效位（valid bit）、脏位（dirty bit）、使用位（use bit）等。这些位在保证正确性、排除冲突、优化性能等方面起着重要作用。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/678f4c7b155a24ecd8cc271510efe0f3.png" alt="cacheline 对 Go 程序的影响" width="550" height="81"></p> <p>Intel的x86架构CPU从386开始引入使用SRAM技术的主板缓存，大小从16KB到64KB不等。486引入两级缓存。其中8KBL1缓存和CPU同片，而L2缓存仍然位于主板上，大小可达268KB。将二级缓存置于主板上在此后十余年间一直设计主流。但是由于SDRAM技术的引入，以及CPU主频和主板总线频率的差异不断拉大，主板缓存在速度上的对内存优势不断缩水。因此，从Pentium Pro起，二级缓存开始和处理器一起封装，频率亦与CPU相同（称为全速二级缓存）或为CPU主频的一半（称为半速二级缓存）。</p> <p>AMD则从K6-III开始引入三级缓存。基于Socket 7接口的K6-III拥有64KB和256KB的同片封装两级缓存，以及可达2MB的三级主板缓存。</p> <p>今天的CPU将三级缓存全部集成到CPU芯片上。多核CPU通常为每个核配有独享的一级和二级缓存，以及各核之间共享的三级缓存。</p> <p>当从内存中取单元到cache中时，会一次取一个cacheline大小的内存区域到cache中，然后存进相应的cacheline中, 所以当你读取一个变量的时候，可能会把它相邻的变量也读取到CPU的缓存中(如果正好在一个cacheline中)，因为有很大的几率你回继续访问相邻的变量，这样CPU利用缓存就可以加速对内存的访问。</p> <p>在多核的情况下，如果两个CPU同时访问某个变量，可能两个CPU都会把变量以及相邻的变量都读入到自己的缓存中：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/a88064f626637cf6258e738bdc75b971.png" alt="cacheline 对 Go 程序的影响" width="550" height="315"></p> <p>这会带来一个问题：当第一个CPU更新一个变量a的时候，它会导致第二个CPU读取变量b cachemiss, 即使变量b的值实际并没有变化。因为CPU的最小读取单元是cacheline,所以你可以看作a和b是一个整体，这就是伪共享：**一个核对缓存中的变量的更新会强制其它核也更新变量。</p> <p>伪共享带来了性能的损失，因为从CPU缓存中读取变量要比从内存中读取变量快的多, 这里有一个很经典的图：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/6990576183ea7490c5518739b7ab7a40.jpg" alt="cacheline 对 Go 程序的影响" width="550" height="249"></p> <p>在并发编程中，经常会有共享数据被多个goroutine同时访问， 所以如何有效的进行数据的设计，就是一个相当有技巧的操作。最常用的技巧就是 <code>Padding</code> 。现在大部分的CPU的cahceline是64字节，将变量补足为64字节可以保证它正好可以填充一个cacheline。</p> <p>台湾的 <a href="/misc/goto?guid=5048130705206817369" rel="nofollow,noindex">盧俊錡 Genchi Lu</a> 提供了一个很好的例子来比较pad和没有padding的性能(我稍微改了一下)。</p> <pre> <code class="language-go">package test import ( "sync/atomic" "testing" ) type NoPad struct { a uint64 b uint64 c uint64 } func (np *NoPad) Increase() { atomic.AddUint64(&np.a,1) atomic.AddUint64(&np.b,1) atomic.AddUint64(&np.c,1) } type Pad struct { a uint64 _p1 [8]uint64 b uint64 _p2 [8]uint64 c uint64 _p3 [8]uint64 } func (p *Pad) Increase() { atomic.AddUint64(&p.a,1) atomic.AddUint64(&p.b,1) atomic.AddUint64(&p.c,1) } func BenchmarkPad_Increase(b *testing.B) { pad := &Pad{} b.RunParallel(func(pb *testing.PB) { for pb.Next() { pad.Increase() } }) } func BenchmarkNoPad_Increase(b *testing.B) { nopad := &NoPad{} b.RunParallel(func(pb *testing.PB) { for pb.Next() { nopad.Increase() } }) } </code></pre> <p>运行结果:</p> <pre> <code class="language-go">go test -gcflags "-N -l" -bench . goos: darwin goarch: amd64 BenchmarkPad_Increase-4 30000000 56.4 ns/op BenchmarkNoPad_Increase-4 20000000 91.4 ns/op </code></pre> <p>可能每次运行的结果不相同，但是基本上Padding后的数据结构要比没有padding的数据结构要好的多。</p> <p>Java中知名的高性能的 <a href="/misc/goto?guid=5048130705312887587" rel="nofollow,noindex">disruptor库</a> 中的设计中也采用了padding的方式避免伪共享。</p> <p>你可以使用 <a href="/misc/goto?guid=5048130705411500565" rel="nofollow,noindex">intel-go/cpuid</a> 获取CPU的cacheline的大小， 官方库 <a href="/misc/goto?guid=5048130705508002169" rel="nofollow,noindex">x/sys/cpu</a> 也提供了一个 <code>CacheLinePad</code> struct用来padding,你只需要在你的struct定义的第一行增加 <code>_ CacheLinePad</code> 这么一行即可：</p> <pre> <code class="language-go">var X86 struct { _ CacheLinePad HasAES bool // AES hardware implementation (AES NI) HasADX bool // Multi-precision add-carry instruction extensions ...... </code></pre> <h2>参考资料</h2> <ol> <li><a href="/misc/goto?guid=5048130705612378249" rel="nofollow,noindex">https://zh.wikipedia.org/wiki/CPU缓存</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=5048130705714047104" rel="nofollow,noindex">https://medium.com/@genchilu/whats-false-sharing-and-how-to-solve-it-using-golang-as-example-ef978a305e10</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=5048130705816013271" rel="nofollow,noindex">https://github.com/golang/go/issues/14980</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=5048130705909977801" rel="nofollow,noindex">https://github.com/klauspost/cpuid</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=5048130706014029790" rel="nofollow,noindex">https://segment.com/blog/allocation-efficiency-in-high-performance-go-services/</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=5048130706104970830" rel="nofollow,noindex">https://luciotato.svbtle.com/golangs-duffs-devices</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=5048130706199243188" rel="nofollow,noindex">https://stackoverflow.com/questions/14707803/line-size-of-l1-and-l2-caches</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=5048130706104970830" rel="nofollow,noindex">https://luciotato.svbtle.com/golangs-duffs-devices</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=5048130706301789070" rel="nofollow,noindex">https://github.com/golang/go/issues/25203</a></li> </ol> <p> </p> <p>来自： <a class="cut cut70" href="https://colobu.com/2019/01/24/cacheline-affects-performance-in-go/?utm_source=tuicool&utm_medium=referral" style="display:inline-block;">https://colobu.com/2019/01/24/cacheline-affects-performance-in-go/</a></p>