为什么带有填充字段的结构工作得更快

Question

我刚刚找到了这个库，它提供了无锁环，它的运行速度比通道快：https : //github.com/textnode/gringo（它的运行速度非常快，尤其是 GOMAXPROCS > 1 ）但有趣的部分是用于管理队列状态的结构：type Gringo struct {    padding1 [8]uint64    lastCommittedIndex uint64    padding2 [8]uint64    nextFreeIndex uint64    padding3 [8]uint64    readerIndex uint64    padding4 [8]uint64    contents [queueSize]Payload    padding5 [8]uint64}如果我删除“paddingX [8]uint64”字段，它的工作速度会慢 20%。怎么可能？如果有人解释为什么这种无锁算法比通道快得多，甚至是缓冲的，也很感激？

Answer 1

填充通过将每个结构放在自己的缓存行上来消除错误共享。如果两个变量共享一个缓存行，如果有对另一个变量的干预写入，则读取未修改的变量将与读取修改的变量一样昂贵。

当一个变量在多个内核上被读取而不被修改时，缓存行由内核共享。这使得读取非常便宜。在任何内核可以写入该缓存行的任何部分之前，它必须使其他内核上的缓存行无效。如果任何内核稍后从该缓存行读取，它将发现缓存行无效并且必须返回共享它。当一个变量被频繁修改而另一个变量被频繁读取时，这会产生痛苦的额外缓存一致性流量。

Answer 2

它运行得更快，因为它不需要锁。这是 Java 中的一个实现（称为 Disruptor），效果非常好，似乎是 gringo 的灵感来源。他们解释锁的成本，以及如何可以增加吞吐量这里。

至于padding，论文也暗示了一些原因。基本上：处理器缓存。这篇论文很好地解释了它。通过让处理器访问其 1 级缓存而不是尽可能频繁地访问内存或其外部缓存，您可以获得巨大的性能提升。但这需要采取额外的预防措施，因为处理器将完全加载其缓存，并在每次需要时重新加载（从内存或 2-3 级缓存）。在并发数据结构的情况下，正如@David Schwartz 所说，错误共享将迫使处理器更频繁地重新加载其缓存，因为一些数据可能会加载到内存行的其余部分中，被修改，并强制整个缓存再次加载。