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什么是Java中的伪共享(False Sharing)_缓存行对齐与@Contended应用

P粉602998670

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发布时间:2026-02-26 14:05:03

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来源于php中文网

原创

伪共享是多核cpu缓存一致性导致的性能问题:同一缓存行(64字节)内不同变量被多线程修改时,引发频繁缓存行无效化;java中典型表现为相邻long字段“连坐”,可用@contended注解或手动long填充解决。

什么是java中的伪共享(false sharing)_缓存行对齐与@contended应用

什么是伪共享?CPU缓存行和 long 字段的“连坐”问题

伪共享不是 Java 独有,而是多核 CPU 缓存一致性协议下的硬件级现象:当两个线程分别修改**同一缓存行(通常是 64 字节)内不同变量**时,即使逻辑上毫无关系,也会因缓存行被反复无效化(Invalidation)而严重拖慢性能。

Java 中最典型场景是高并发计数器类里相邻定义的 long 字段——比如 value1value2 在对象内存中紧挨着,很可能落在同一缓存行。一个线程改 value1,另一个线程读/写 value2,就会触发整行同步,造成“假竞争”。

  • 常见错误现象:AtomicLongvolatile long 字段在多线程下吞吐量远低于预期,且 CPU 缓存失效(LLC-misses)指标异常高
  • 不是 GC 问题、不是锁争用,jstack 看不到阻塞,但 perf stat -e cache-misses,cache-references 能暴露缓存行抖动
  • 64 位 JVM 下,longdouble 占 8 字节,但 JVM 不保证字段对齐;默认布局下多个 long 很容易挤进同一缓存行

@Contended 怎么用?必须加 JVM 参数才生效

@Contended 是 JDK 8 引入的注解,作用是在字段前后插入填充字节(padding),强行把目标字段独占一个缓存行。但它默认不启用,否则会增大对象体积、浪费内存。

必须显式开启 JVM 参数:-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+RestrictContended(JDK 8u20+)或 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+RestrictContended(部分旧版本)。漏掉任一参数,注解完全被忽略。

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  • 只对实例字段有效,静态字段不支持 @Contended
  • 字段需声明为 private(JDK 9+ 要求更严,建议始终 private)
  • 示例:
    @sun.misc.Contended
    private volatile long counter;
  • 注意包名:@sun.misc.Contended 是实际可用的,不是 java.lang.Contended(后者不存在)

不用 @Contended 怎么手动对齐?靠 long 填充字段

如果不能开 JVM 参数(如生产环境受限),或者用的是 JDK 7,就得手动填充。核心思路:让关键字段前后至少预留 56 字节(64 − 8),确保它独占缓存行。

常用手法是定义 7 个无用的 long 字段(7 × 8 = 56 字节)包围目标字段。虽然丑,但稳定、无依赖、全 JDK 兼容。

  • 填充位置很重要:必须放在同一对象内,且紧邻目标字段前后;跨字段或跨对象无效
  • 示例结构:
    private volatile long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7; // 前置填充
    private volatile long value;                         // 目标字段
    private volatile long q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7; // 后置填充
  • 不要用 byte[56] 填充——数组对象本身有 header 开销,且可能被 JVM 优化掉;long 字段最可靠
  • 填充后对象大小会明显变大(+112 字节),对堆内存敏感场景要权衡

伪共享真的存在吗?怎么验证你修对了

别信理论,得测。伪共享的影响只有在高并发、高频更新、字段又恰好“不幸相邻”时才会爆发。很多所谓“修复”其实没效果,因为根本没触发伪共享。

  • 验证前提:用 UnsafeFieldLayout 工具(如 jdk.internal.vm.annotation.Contended 的配套工具)确认字段实际偏移量,看是否真落在同一缓存行(64 字节对齐边界)
  • 压测对比:用 JMH 写两个版本(带填充 vs 不带),线程数 ≥ CPU 核心数,操作频率 ≥ 百万次/秒,观察吞吐量提升是否显著(常达 2–5 倍)
  • 容易踩的坑:测试时用了单线程、或字段访问间隔太长(缓存行已自然失效)、或 JVM 没开 -XX:+UseParallelGC 等影响缓存局部性的选项,结果看不出差异
  • 真实复杂点在于:现代 JVM(如 ZGC、Shenandoah)和 CPU(ARM64、Intel Ice Lake 后)对伪共享的缓解能力增强,但不等于消失——尤其在低延迟交易、高频日志聚合等场景,仍需手动干预

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