JVM 系列之:Contend 注解和 false-sharing

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发布于: 2020 年 07 月 23 日
简介现代CPU为了提升性能都会有自己的缓存结构，而多核CPU为了同时正常工作，引入了MESI，作为CPU缓存之间同步的协议。MESI虽然很好，但是不当的时候用也可能导致性能的退化。
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到底怎么回事呢？一起来看看吧。
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false-sharing的由来为了提升处理速度，CPU引入了缓存的概念，我们先看一张CPU缓存的示意图：
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CPU缓存是位于CPU与内存之间的临时数据交换器，它的容量比内存小的多但是交换速度却比内存要快得多。
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CPU的读实际上就是层层缓存的查找过程，如果所有的缓存都没有找到的情况下，就是主内存中读取。
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为了简化和提升缓存和内存的处理效率，缓存的处理是以Cache Line（缓存行）为单位的。
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一次读取一个Cache Line的大小到缓存。
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在mac系统中，你可以使用sysctl machdep.cpu.cache.linesize来查看cache line的大小。
在linux系统中，使用getconf LEVEL1_DCACHE_LINESIZE来获取cache line的大小。
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本机中cache line的大小是64字节。
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考虑下面一个对象：
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public class CacheLine {
    public  long a;
    public  long b;
}
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很简单的对象，通过之前的文章我们可以指定，这个CacheLine对象的大小应该是12字节的对象头+8字节的long+8字节的long+4字节的补全，总共应该是32字节。
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因为32字节< 64字节，所以一个cache line就可以将其包括。
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现在问题来了，如果是在多线程的环境中，thread1对a进行累加，而thread2对b进行累加。会发生什么情况呢？
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第一步，新创建出来的对象被存储到CPU1和CPU2的缓存cache line中。
thread1使用CPU1对对象中的a进行累计。
根据CPU缓存之间的同步协议MESI（这个协议比较复杂，这里就先不展开讲解），因为CPU1对缓存中的cache line进行了修改，所以CPU2中的这个cache line的副本对象将会被标记为I（Invalid）无效状态。
thread2使用CPU2对对象中的b进行累加，这个时候因为CPU2中的cache line已经被标记为无效了，所以必须重新从主内存中同步数据。
大家注意，耗时点就在第4步。 虽然a和b是两个不同的long，但是因为他们被包含在同一个cache line中，最终导致了虽然两个线程没有共享同一个数值对象，但是还是发送了锁的关联情况。
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怎么解决？那怎么解决这个问题呢？
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在JDK7之前，我们需要使用一些空的字段来手动补全。
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public class CacheLine { 
     public  long actualValue; 
     public  long p0, p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7; 
     }
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像上面那样，我们手动填充一些空白的long字段，从而让真正的actualValue可以独占一个cache line，就没有这些问题了。
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但是在JDK8之后，java文件的编译期会将无用的变量自动忽略掉，那么上面的方法就无效了。
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还好，JDK8中引入了sun.misc.Contended注解，使用这个注解会自动帮我们补全字段。
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使用JOL分析接下来，我们使用JOL工具来分析一下Contended注解的对象和不带Contended注解的对象有什么区别。
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@Test
public void useJol() {
        log.info("{}", ClassLayout.parseClass(CacheLine.class).toPrintable());
        log.info("{}", ClassLayout.parseInstance(new CacheLine()).toPrintable());
        log.info("{}", ClassLayout.parseClass(CacheLinePadded.class).toPrintable());
        log.info("{}", ClassLayout.parseInstance(new CacheLinePadded()).toPrintable());
    }
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注意，在使用JOL分析Contended注解的对象时候，需要加上 -XX:-RestrictContended参数。
同时可以设置-XX:ContendedPaddingWidth 来控制padding的大小。
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INFO com.flydean.CacheLineJOL - com.flydean.CacheLine object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           d0 29 17 00 (11010000 00101001 00010111 00000000) (1518032)
     12     4        (alignment/padding gap)                  
     16     8   long CacheLine.valueA                          0
     24     8   long CacheLine.valueB                          0
Instance size: 32 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total
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INFO com.flydean.CacheLineJOL - com.flydean.CacheLinePadded object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           d2 5d 17 00 (11010010 01011101 00010111 00000000) (1531346)
     12     4        (alignment/padding gap)                  
     16     8   long CacheLinePadded.b                         0
     24   128        (alignment/padding gap)                  
    152     8   long CacheLinePadded.a                         0
Instance size: 160 bytes
Space losses: 132 bytes internal + 0 bytes external = 132 bytes total
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我们看到使用了Contended的对象大小是160字节。直接填充了128字节。
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Contended在JDK9中的问题sun.misc.Contended是在JDK8中引入的，为了解决填充问题。
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但是大家注意，Contended注解是在包sun.misc，这意味着一般来说是不建议我们直接使用的。
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虽然不建议大家使用，但是还是可以用的。
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但如果你使用的是JDK9-JDK14,你会发现sun.misc.Contended没有了！
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因为JDK9引入了JPMS（Java Platform Module System），它的结构跟JDK8已经完全不一样了。
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经过我的研究发现，sun.misc.Contended, sun.misc.Unsafe，sun.misc.Cleaner这样的类都被移到了jdk.internal.**中，并且是默认不对外使用的。
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那么有人要问了，我们换个引用的包名是不是就行了？
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import jdk.internal.vm.annotation.Contended；
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抱歉还是不行。
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error: package jdk.internal.vm.annotation is not visible
  @jdk.internal.vm.annotation.Contended
                  ^
  (package jdk.internal.vm.annotation is declared in module
    java.base, which does not export it to the unnamed module)
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好，我们找到问题所在了，因为我们的代码并没有定义module，所以是一个默认的“unnamed” module,我们需要把java.base中的jdk.internal.vm.annotation使unnamed module可见。
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要实现这个目标，我们可以在javac中添加下面的flag：
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--add-exports java.base/jdk.internal.vm.annotation=ALL-UNNAMED
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好了，现在我们可以正常通过编译了。
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padded和unpadded性能对比上面我们看到padded对象大小是160字节，而unpadded对象的大小是32字节。
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对象大了，运行的速度会不慢呢？
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实践出真知，我们使用JMH工具在多线程环境中来对其进行测试：
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@State(Scope.Benchmark)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@Fork(value = 1, jvmArgsPrepend = "-XX:-RestrictContended")
@Warmup(iterations = 10)
@Measurement(iterations = 25)
@Threads(2)
public class CacheLineBenchMark {
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    private CacheLine cacheLine= new CacheLine();
    private CacheLinePadded cacheLinePadded = new CacheLinePadded();
﻿
    @Group("unpadded")
    @GroupThreads(1)
    @Benchmark
    public long updateUnpaddedA() {
        return cacheLine.a++;
    }
﻿
    @Group("unpadded")
    @GroupThreads(1)
    @Benchmark
    public long updateUnpaddedB() {
        return cacheLine.b++;
    }
﻿
    @Group("padded")
    @GroupThreads(1)
    @Benchmark
    public long updatePaddedA() {
        return cacheLinePadded.a++;
    }
﻿
    @Group("padded")
    @GroupThreads(1)
    @Benchmark
    public long updatePaddedB() {
        return cacheLinePadded.b++;
    }
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    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(CacheLineBenchMark.class.getSimpleName())
                .build();
        new Runner(opt).run();
    }
}
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上面的JMH代码中，我们使用两个线程分别对A和B进行累计操作，看下最后的运行结果：
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从结果看来虽然padded生成的对象比较大，但是因为A和B在不同的cache line中，所以不会出现不同的线程去主内存取数据的情况，因此要执行的比较快。
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Contended在JDK中的使用其实Contended注解在JDK源码中也有使用，不算广泛，但是都很重要。
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比如在Thread中的使用：
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比如在ConcurrentHashMap中的使用：
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其他使用的地方：Exchanger,ForkJoinPool,Striped64。
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感兴趣的朋友可以仔细研究一下。
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总结Contented从最开始的sun.misc到现在的jdk.internal.vm.annotation，都是JDK内部使用的class，不建议大家在应用程序中使用。
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这就意味着我们之前使用的方式是不正规的，虽然能够达到效果，但是不是官方推荐的。那么我们还有没有什么正规的办法来解决false-sharing的问题呢？
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有知道的小伙伴欢迎留言给我讨论！
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本文作者：flydean程序那些事
本文链接：http://www.flydean.com/jvm-contend-false-sharing/
本文来源：flydean的博客
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