程序的局部性原理

存储结构

在说局部性原理的时候，先来了解一下计算机的存储结构，设计到计算机组成结构的一些知识，计算机的存储结构，主要分以下几层，其中的磁盘跟本文无关。就暂且不提

• 内存：一般也叫主存，存储的是程序运行所需要的数据，操作指令，中间结果和最终结果等。cpu就是从内存中调取数据进运算器执行，然后控制器发出控制信号
• 高速缓存：也叫cache，位于cpu和内存之间，容量小，读写速度远远高于内存，接近cpu。一般和cpu集成在一起。主要为了解决内存和cpu内存不匹配的问题，cache从内存中取值是以缓存行为单位来取的。
• 寄存器：寄存器是cpu内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。

局部性原理

通过上面的简单介绍，可以知道，在内存和cpu之间有一道cache，cpu取值是先看cache中有没有，如果有就从cache中拿，没有再访问主存。并且cache读取数据是并不是一个一个数据来读的，而是将目标数据所在的内存区域的一个缓存行大小一起读，作为一个缓存行，然后复制存进缓存的。总结一下就是：缓存行是主存和cache数据交换的单位。为什么要这么设计呢。程序的局部性原理认为：

CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中

时间局部性：程序有在一段时间内多次访问同一个数据块的倾向

空间局部性：程序往往有访问一个聚集空间的数据块的倾向

通俗来说呢就是，你对一个数据进行访问的时候，cpu认为，这个数据附近的数据部分也有非常有可能被访问，于是缓存就会直接把这个数据附近的数据也一起放到缓存中，节省cpu再到内存找的性能开销。举个例子：数组。数组的存储位置是连续的，但是我们一般在编程的时候，很少会单独的去访问数组的单个元素，就像我们平时写代码一样，数组都是用for循环去遍历，如果不把数组的的元素连续区域放进cache中，那cpu每循环一次，都要去内存中取值，效率较低。但是如果根据局部性原理，把这个数组的这块某块区域的大小都放进cache中，那cpu每次遍历只需要直接从高速缓存中取值。效率就会大大的提高。例如像这样

long a,b,c,d;

这个时候当cpu访问变量a的时候，如果a在缓存中没有，并且缓存行的大小为32字节，那么这个时候，abcd都会作为一个缓存行存进缓存中。因为cpu认为，bcd变量在后续的指令执行中非常有可能用到。

局部性原理并不是定理，而是一种经验的规律的总结，是计算机科学家在研究程序的运行过程发现的规律的总结，因此提出的提高效率的一种解决办法，目前很多的cpu都采用了这种方式。

伪共享

在多线程的环境中，伪共享的问题就是由于上面所说的程序的局部性原理导致的。从上面知道，cpu和主存之间隔着一个缓存，而缓存存值又是以缓存行作为单位的，cpu对值的修改也是以缓存行为单位的。由于程序的局部性原理，cpu从缓存中读取数据都是按缓存行来读的，一个缓存行可能是32个字节，也可能是64个字节等等，不同的cpu设计会有不同的大小。假设有x变量和y变量是在同一行被cpu读到，但是此时同时有两个线程，线程1对x进行操作，线程2对y进行操作。虽然他们读取的变量都不一样，由于这两个变量是在同一行。那么如果此时线程1对x的变量值进行了修改，由于缓存一致性协议，就要通知线程2 x的值被改了需要重新到主存中读取，这样就不是真正的共享。而这样反复的读取主存，就会无意中影响彼此的性能， 这就是线程间的伪共享问题。

如何解决伪共享问题

解决伪共享问题有一个很好的思路就是缓存对齐或者说缓存填充，例如有这样的一段代码，假设缓存行大小为64个字节。

 volatile long  value  = 0;
long p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7;
long value2 = 2

只需要像这样，value和其他7个变量就会被放到同一个缓存行，value2又会被放到另一个缓存行中么，这样的话，对这个缓存行中的数据value和Value2读写就不会产生伪共享问题，因为他们是在不同的缓存行，这是一种用空间换时间的方式

在jdk1.8之后有一个注解，@sun.misc.centened.将这个注解放在变量上，会自动填充缓存行。但是这个注解要对jvm参数进行一些配置才会生效

标签：缓存,cache,线程,内存,共享,多线程,局部性,cpu
来源： https://www.cnblogs.com/blackmlik/p/12872458.html