内存可见性和伪共享问题

什么是内存可见性问题

内存可见性问题指的是：一个线程对共享变量的修改，对其他线程不一定立即可见。这听起来很奇怪，但在现代多核处理器架构下，确实存在这个问题。

为什么会出现可见性问题

现代CPU为了提升性能，每个核心都有自己的缓存，多个核心共享L3缓存。当线程修改变量时，可能只是修改了CPU缓存中的副本，而没有立即写回主内存。

public class VisibilityExample {private boolean flag = false;private int counter = 0;public void writer() {counter = 1;        // 写操作1flag = true;        // 写操作2}public void reader() {if (flag) {         // 读操作1System.out.println(counter);  // 读操作2}}
}

在上面的例子中，即使flag为true，counter的值对读线程可能仍然不可见。

解决可见性问题的方法

1. 使用volatile关键字

public class VolatileExample {private volatile boolean flag = false;private volatile int counter = 0;// volatile确保修改立即对其他线程可见
}

2. 使用synchronized

public class SynchronizedExample {private boolean flag = false;private int counter = 0;public synchronized void writer() {counter = 1;flag = true;}public synchronized void reader() {if (flag) {System.out.println(counter);}}
}

3. 使用java.util.concurrent包下的原子类

public class AtomicExample {private final AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean(false);private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);public void writer() {counter.set(1);flag.set(true);}public void reader() {if (flag.get()) {System.out.println(counter.get());}}
}

什么是伪共享问题

伪共享是指多个线程访问同一缓存行中的不同变量时，即使这些变量在逻辑上是独立的，但由于它们位于同一缓存行，一个线程的修改会导致其他线程的缓存行失效，从而引起不必要的缓存同步开销。

CPU缓存行

现代CPU的缓存是以缓存行为单位进行管理的，一般大小为64字节，相当于8个long类型的数据。当CPU访问内存时，会将包含目标地址的整个缓存行加载到缓存中。

伪共享的危害

public class FalseSharingExample {// 这两个变量很可能在同一缓存行中private volatile long variableA = 0L;private volatile long variableB = 0L;public void threadA() {for (int i = 0; i < 100000000; i++) {variableA++;  // 线程A修改variableA}}public void threadB() {for (int i = 0; i < 100000000; i++) {variableB++;  // 线程B修改variableB}}
}

在上面的例子中，虽然两个线程操作不同的变量，但由于变量可能在同一缓存行，每次修改都会导致对方的缓存行失效，导致线程读取变量的时候又要去内存中读取，性能大幅下降。

解决伪共享的方法

1. 缓存行填充

public class PaddingExample {private volatile long variableA = 0L;// 使用填充字节避免伪共享private long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;private volatile long variableB = 0L;private long p8, p9, p10, p11, p12, p13, p14;
}

2. 使用@Contended注解（JDK 8+）

@sun.misc.Contended
public class ContendedExample {private volatile long variableA = 0L;@sun.misc.Contendedprivate volatile long variableB = 0L;
}

使用@Contended需要JVM参数：-XX:-RestrictContended