魔法代码 - 缓存对齐 C#版

目录

• 代码
• 揭秘
• 实际的应用场景

代码

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我们先看下面一段代码，非常的简单。

using System.Diagnostics;

namespace CacheConsistency
{
    internal class Program
    {
        class Test
        {
            public long X { get; set; }
            //public long x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7;
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
            stopwatch.Start();

            long count = 100000000;            
            List<Test> list = new List<Test>();//业务数据项集合
            for (int i = 0; i < 4; i++)
            {
                list.Add(new Test());
            }

            Parallel.ForEach(list, test =>
            {
                for (int i = 0; i < count; i++)
                {
                    test.X = i;
                }
                Console.WriteLine(test.X);
            });

            stopwatch.Stop();
            Console.WriteLine("耗时：" + stopwatch.ElapsedMilliseconds);
        }
    }
}

上面的代码中Main方法主要是定义一个Test实例集合，然后并行执行为集合的Test实例的属性X赋值这样一个过程。

运行这个控制台程序，多运行几次并记一下执行时间，我取我其中一次执行的结果如下图：

现在让我们施展“魔法”：取消public long x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7;这行代码的注释。是的，我们仅仅是定义这些变量，没有修改其它任何地方的代码，现在我们执行看看会发生什么，我取其中一次的执行结果如下图：

神奇的事情发生了——执行时间缩短了5倍，为什么？怎么做到的？

揭秘

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• 缓存对齐

上面代码实现的效果就是因为缓存对齐，定义7个long类型的变量使得有被使用的变量X一起被放到同一缓存行，这样就避免变量X被缓存到不同的CPU内核。

在解释上面的原理之前，我们需要先了解一些概念：

• 内存的空间局部性

  在一个具有良好空间局部性的程序中，如果一个内存位置被引用了一次，那么程序很可能在不远的未来引用附近的一个内存位置。

• 缓存行

  计算机将数据从主存读入CPU高速缓存时，如果一个变量一个变量的同步效率比较低，而且根据内存的空间局部性原理：这个变量相邻的变量将来很可能也要被使用，所以CPU从主存读取数据时是读取一个数据块，这个数据块大小一般是64个字节。

• CPU的缓存一致性同步

  CPU的L1、L2缓存是每个CPU内核独享的，当从主存读取缓存行到不同的CPU内核时，如果读取的是相同的缓存行，当其中一个CPU的内核修改了缓存行的数据，就必须把修改的数据同步到另一个内核的缓存，从而保证数据的一致。

OK，以上的理论知识比较枯燥，我们结合代码来画一些图：

前后代码的缓存行对比

• 取消注释代码前
  

• 取消注释代码后
  

  实际的应用场景

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