多執行緒程式設計中的偽共享是什麼？-程式設計技術-CodeUp Hub

偽共享（False Sharing）是多執行緒程式設計中的一種效能問題，它發生在多個執行緒同時訪問不同的變數，但這些變數卻共享同一快取行（cache line）時。儘管這些變數並不相互依賴，但由於它們的儲存位置在快取中靠得很近，導致處理器頻繁地無效化（invalidate）快取行，從而影響效能。

快取行的基本概念

在現代計算機中，CPU 使用快取來提高記憶體訪問速度。快取通常分為多個層次（L1、L2、L3），每個層次的容量和訪問速度各不相同。CPU 從主記憶體讀取資料時，通常是以快取行（通常是 64 位元組）為單位進行讀取的。這意味著，訪問快取行中的一個位元組將導致整個快取行被載入到 CPU 的快取中。

偽共享的發生

偽共享通常發生在以下情況下：

多個執行緒：多個執行緒併發地訪問和修改不同的變數。
相同的快取行：這些變數位於同一個快取行內，導致 CPU 每次更新某個變數時都要使得包含其他變數的快取行失效。

例如，考慮以下程式碼：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <chrono>

const int NUM_THREADS = 4;
const int NUM_ITERATIONS = 10000000;

struct Data {
    int a; // 變數 a
    int b; // 變數 b
    // 可能存在偽共享
};

Data data[NUM_THREADS];

void increment(int index) {
    for (int i = 0; i < NUM_ITERATIONS; ++i) {
        data[index].a++; // 執行緒修改 a
        data[index].b++; // 執行緒修改 b
    }
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i) {
        threads.emplace_back(increment, i);
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    return 0;
}

在這個示例中，data 陣列的每個元素都有兩個整數變數 a 和 b。假設這兩個變數儲存在同一個快取行中，當多個執行緒同時修改 a 和 b 時，可能會導致偽共享。這是因為每個執行緒在更新 a 時，可能會導致儲存 b 的快取行失效，從而引發頻繁的快取行無效化。

偽共享的影響

偽共享會導致以下幾個問題：

效能下降：由於頻繁的快取行無效化，CPU 可能會花費大量時間在資料一致性上，從而影響整體效能。
增加的延遲：每次訪問共享快取行時，CPU 需要等待，從而增加了延遲。
吞吐量降低：在多執行緒環境中，偽共享可能導致 CPU 的利用率下降，影響吞吐量。

如何避免偽共享

避免偽共享的方法主要包括：

記憶體對齊：透過確保變數在記憶體中對齊到快取行邊界，可以減少偽共享的發生。例如，使用 alignas 關鍵字來對齊結構體。
```
struct alignas(64) Data {
    int a;
    int b;
};
```
增加快取行的使用：將變數放置在不同的快取行中，可以有效避免偽共享。例如，在結構體中新增填充變數（padding）以確保不同變數位於不同的快取行。
```
struct Data {
    int a;
    char padding[60]; // 填充到 64 位元組
    int b;
};
```
分離數據結構：在多執行緒應用中，將資料分散到不同的結構體中，每個執行緒使用獨立的結構體，避免共享資料。
使用原子操作：在某些情況下，可以使用原子操作（如 std::atomic）來減少對共享變數的直接訪問，降低偽共享的風險。