好久没有写一些微观方面的文章了,今天写一篇关于 CPU Cache 相关的文章,这篇文章比较长,主要分成这么几个部分:基础知识、缓存的命中、缓存的一致性、相关的代码示例和延伸阅读。其中会讲述一些多核 CPU 的系统架构以及其原理,包括对程序性能上的影响,以及在进行并发编程的时候需要注意到的一些问题。这篇文章我会尽量地写简单和通俗易懂一些,主要是讲清楚相关的原理和问题,而对于一些细节和延伸阅读我会在文章最后会给出相关的资源。
因为无论你写什么样的代码都会交给 CPU 来执行,所以,如果你想写出性能比较高的代码,这篇文章中提到的技术还是值得认真学习的。
基础知识
首先,我们都知道现在的 CPU 多核技术,都会有几级缓存,老的 CPU 会有两级内存(L1 和 L2),新的 CPU 会有三级内存(L1,L2,L3 ),如下图所示:
其中:
再往后面就是内存,内存的后面就是硬盘。我们来看一些他们的速度:
我们可以看到,L1 的速度是 RAM 的 27 倍,但是 L1/L2 的大小基本上也就是 KB 级别的,L3 会是 MB 级别的。例如:Intel Core i7-8700K ,是一个 6 核的 CPU,每核上的 L1 是 64KB(数据和指令各 32KB),L2 是 256K,L3 有 12MB(我的苹果电脑是 Intel Core i9-8950HK,和 Core i7-8700K 的 Cache 大小一样)。
我们的数据就从内存向上,先到 L3,再到 L2,再到 L1,最后到寄存器进行 CPU 计算。为什么会设计成三层?这里有下面几个方面的考虑:
这个世界永远是平衡的,一面变得有多光鲜,另一面也会变得有多黑暗。建立这么多级的缓存,一定就会引入其它的问题,这里有两个比较重要的问题,
尤其是第二个问题,在多核技术下,这就很像分布式的系统了,要对多个地方进行更新。
缓存的命中
在说明这两个问题之前。我们需要要解一个术语 Cache Line。缓存基本上来说就是把后面的数据加载到离自己近的地方,对于 CPU 来说,它是不会一个字节一个字节的加载的,因为这非常没有效率,一般来说都是要一块一块的加载的,对于这样的一块一块的数据单位,术语叫“Cache Line”,一般来说,一个主流的 CPU 的 Cache Line 是 64 Bytes(也有的 CPU 用 32Bytes 和 128Bytes),64Bytes 也就是 16 个 32 位的整型,这就是 CPU 从内存中捞数据上来的最小数据单位。
比如:Cache Line 是最小单位(64Bytes),所以先把 Cache 分布多个 Cache Line,比如:L1 有 32KB,那么,32KB/64B = 512 个 Cache Line。
一方面,缓存需要把内存里的数据放到放进来,英文叫 CPU Associativity。Cache 的数据放置的策略决定了内存中的数据块会拷贝到 CPU Cache 中的哪个位置上,因为 Cache 的大小远远小于内存,所以,需要有一种地址关联的算法,能够让内存中的数据可以被映射到 Cache 中来。这个有点像内存地址从逻辑地址向虚拟地址映射的方法,但不完全一样。
基本上来说,我们会有如下的一些方法。
(内存地址 mod 512)* 64
就可以直接找到所在的 Cache 地址的偏移了。但是,这样的方式需要我们的程序对内存地址的访问要非常地平均,不然冲突就会非常严重。这成了一种非常理想的情况了。
对于 N-Way 组关联,可能有点不好理解,这里个例子,并多说一些细节(不然后面的代码你会不能理解),Intel 大多数处理器的 L1 Cache 都是 32KB,8-Way 组相联,Cache Line 是 64 Bytes。这意味着,
为了方便索引内存地址,
如下图所示:(更多的细节可以读一下《Cache: a place for concealment and safekeeping》)
(图片来自《Cache: a place for concealment and safekeeping》)
这也意味着:
此外,当有数据没有命中缓存的时候,CPU 就会以最小为 Cache Line 的单元向内存更新数据。当然,CPU 并不一定只是更新 64Bytes,因为访问主存是在是太慢了,所以,一般都会多更新一些。好的 CPU 会有一些预测的技术,如果找到一种 pattern 的话,就会预先加载更多的内存,包括指令也可以预加载。这叫 Prefetching 技术 (参看,Wikipedia 的 Cache Prefetching 和 纽约州立大学的 Memory Prefetching)。比如,你在 for-loop 访问一个连续的数组,你的步长是一个固定的数,内存就可以做到 prefetching。(注:指令也是以预加载的方式执行,参看本站的《代码执行的效率》中的第三个示例)
了解这些细节,会有利于我们知道在什么情况下有可以导致缓存的失效。
缓存的一致性
对于主流的 CPU 来说,缓存的写操作基本上是两种策略(参看本站《缓存更新的套路》),
为了提高写的性能,一般来说,主流的 CPU(如:Intel Core i7/i9)采用的是 Write Back 的策略,因为直接写内存实在是太慢了。
好了,现在问题来了,如果有一个数据 x 在 CPU 第 0 核的缓存上被更新了,那么其它 CPU 核上对于这个数据 x 的值也要被更新,这就是缓存一致性的问题。(当然,对于我们上层的程序我们不用关心 CPU 多个核的缓存是怎么同步的,这对上层的代码来说都是透明的)
一般来说,在 CPU 硬件上,会有两种方法来解决这个问题。
因为 Directory 协议是一个中心式的,会有性能瓶颈,而且会增加整体设计的复杂度。而 Snoopy 协议更像是微服务+消息通讯,所以,现在基本都是使用 Snoopy 的总线的设计。
这里,我想多写一些细节,因为这种微观的东西,不自然就就会更分布式系统相关联,在分布式系统中我们一般用 Paxos/Raft 这样的分布式一致性的算法。而在 CPU 的微观世界里,则不必使用这样的算法,原因是因为 CPU 的多个核的硬件不必考虑网络会断会延迟的问题。所以,CPU 的多核心缓存间的同步的核心就是要管理好数据的状态就好了。
这里介绍几个状态协议,先从最简单的开始,MESI 协议,这个协议跟那个著名的足球运动员梅西没什么关系,其主要表示缓存数据有四个状态:Modified(已修改), Exclusive(独占的),Shared(共享的),Invalid(无效的)。
这些状态的状态机如下所示(有点复杂,你可以先不看,这个图就是想告诉你状态控制有多复杂):
下面是个示例(如果你想看一下动画演示的话,这里有一个网页(MESI Interactive Animations),你可以进行交互操作,这个动画演示中使用的 Write Through 算法):
当前操作 | CPU0 | CPU1 | Memory | 说明 |
---|---|---|---|---|
1) CPU0 read (x) | x=1 (E) | x=1 | 只有一个 CPU 有 x 变量, 所以,状态是 Exclusive | |
2) CPU1 read (x) | x=1 (S) | x=1(S) | x=1 | 有两个 CPU 都读取 x 变量, 所以状态变成 Shared |
3) CPU0 write (x,9) | x=9 (M) | x=1(I) | x=1 | 变量改变,在 CPU0 中状态 变成 Modified,在 CPU1 中 状态变成 Invalid |
4) 变量 x 写回内存 | x=9 (M) | X=1(I) | x=9 | 目前的状态不变 |
5) CPU1 read (x) | x=9 (S) | x=9(S) | x=9 | 变量同步到所有的 Cache 中, 状态回到 Shared |
MESI 这种协议在数据更新后,会标记其它共享的 CPU 缓存的数据拷贝为 Invalid 状态,然后当其它 CPU 再次 read 的时候,就会出现 cache miss 的问题,此时再从内存中更新数据。从内存中更新数据意味着 20 倍速度的降低。我们能不能直接从我隔壁的 CPU 缓存中更新?是的,这就可以增加很多速度了,但是状态控制也就变麻烦了。还需要多来一个状态:Owner (宿主),用于标记,我是更新数据的源。于是,现了 MOESI 协议
MOESI 协议的状态机和演示示例我就不贴了,我们只需要理解 MOESI 协议允许 CPU Cache 间同步数据,于是也降低了对内存的操作,性能是非常大的提升,但是控制逻辑也非常复杂。
顺便说一下,与 MOESI 协议类似的一个协议是 MESIF,其中的 F 是 Forward,同样是把更新过的数据转发给别的 CPU Cache 但是,MOESI 中的 Owner 状态和 MESIF 中的 Forward 状态有一个非常大的不一样—— Owner 状态下的数据是 dirty 的,还没有写回内存,Forward 状态下的数据是 clean 的,可以丢弃而不用另行通知。
需要说明的是,AMD 用 MOESI,Intel 用 MESIF。所以,F 状态主要是针对 CPU L3 Cache 设计的(前面我们说过,L3 是所有 CPU 核心共享的)。(相关的比较可以参看 StackOverlow 上这个问题的答案)
程序性能
了解了我们上面的这些东西后,我们来看一下对于程序的影响。
示例一
首先,假设我们有一个 64M 长的数组,设想一下下面的两个循环:
- const int LEN = 64*1024*1024;
- int *arr = new int[LEN];
- for (int i = 0; i < LEN; i += 2) arr[i] *= i;
- for (int i = 0; i < LEN; i += 8) arr[i] *= i;
按我们的想法来看,第二个循环要比第一个循环少 4 倍的计算量,其应该也是要快 4 倍的。但实际跑下来并不是,在我的机器上,第一个循环需要 127 毫秒,第二个循环则需要 121 毫秒,相差无几。这里最主要的原因就是 Cache Line,因为 CPU 会以一个 Cache Line 64Bytes 最小时单位加载,也就是 16 个 32bits 的整型,所以,无论你步长是 2 还是8,都差不多。而后面的乘法其实是不耗 CPU 时间的。
示例二
我们再来看一个与缓存命中率有关的代码,我们以一定的步长increment
来访问一个连续的数组。
- for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
- for (int j = 0; j < size; j += increment) {
- memory[j] += j;
- }
- }
我们测试一下,在下表中, 表头是步长,也就是每次跳多少个整数,而纵向是这个数组可以跳几次(你可以理解为要几条 Cache Line),于是表中的任何一项代表了这个数组有多少,而且步长是多少。比如:横轴是 512,纵轴是4,意思是,这个数组有 4*512 = 2048
个长度,访问时按 512 步长访问,也就是访问其中的这几项:[0, 512, 1024, 1536]
这四项。
表中同的项是,是循环 1000 万次的时间,单位是“微秒”(除以 1000 后是毫秒)
- | count | 1 | 16 | 512 | 1024 |
- ------------------------------------------
- | 1 | 17539 | 16726 | 15143 | 14477 |
- | 2 | 15420 | 14648 | 13552 | 13343 |
- | 3 | 14716 | 14463 | 15086 | 17509 |
- | 4 | 18976 | 18829 | 18961 | 21645 |
- | 5 | 23693 | 23436 | 74349 | 29796 |
- | 6 | 23264 | 23707 | 27005 | 44103 |
- | 7 | 28574 | 28979 | 33169 | 58759 |
- | 8 | 33155 | 34405 | 39339 | 65182 |
- | 9 | 37088 | 37788 | 49863 |156745 |
- | 10 | 41543 | 42103 | 58533 |215278 |
- | 11 | 47638 | 50329 | 66620 |335603 |
- | 12 | 49759 | 51228 | 75087 |305075 |
- | 13 | 53938 | 53924 | 77790 |366879 |
- | 14 | 58422 | 59565 | 90501 |466368 |
- | 15 | 62161 | 64129 | 90814 |525780 |
- | 16 | 67061 | 66663 | 98734 |440558 |
- | 17 | 71132 | 69753 |171203 |506631 |
- | 18 | 74102 | 73130 |293947 |550920 |
我们可以看到,从[9,1024] 以后,时间显注上升。包括[17,512] 和 [18,512] 也显注上升。这是因为,我机器的 L1 Cache 是 32KB, 8 Way 的,前面说过,8 Way 的一个组有 64 个 Cache Line,也就是 4096 个字节,而 1024 个整型正好是 4096 Bytes,所以,一旦过了 8 Way + 4096 Bytes 这个界,每个步长都无法命中 L1 Cache,每次都是 Cache Miss,所以,导致访问时间一下子就上升了。而 [16, 512]也是一样的,其中的几步开始导致 L1 Cache 开始失效。
示例三
接下来,我们再来看个示例。下面是一个二维数组的两种遍历方式,一个逐行遍历,一个是逐列遍历,这两种方式在理论上来说,寻址和计算量都是一样的,执行时间应该也是一样的。
- const int row = 1024;
- const int col = 512
- int matrix[row][col];
- //逐行遍历
- int sum_row=0;
- for(int r=0; r
|
- for(int c=0; c
- sum_row += matrix[r];
- }
- }
- //逐列遍历
- int sum_col=0;
- for(int c=0; c
- for(int r=0; r
|
- sum_col += matrix[r];
- }
- }
然而,并不是,在我的机器上,得到下面的结果。
执行时间有十几倍的差距。其中的原因,就是逐列遍历对于 CPU Cache 的运作方式并不友好,所以,付出巨大的代价。
示例四
接下来,我们来看一下多核下的性能问题,参看如下的代码。两个线程在操作一个数组的两个不同的元素(无需加锁),线程循环 1000 万次,做加法操作。在下面的代码中,我高亮了一行,就是p2
指针,要么是p[1]
,或是 p[18]
,理论上来说,无论访问哪两个数组元素,都应该是一样的执行时间。
- void fn (int* data) {
- for(int i = 0; i < 10*1024*1024; ++i)
- *data += rand ();
- }
- int p[32];
- int *p1 = &p[0];
- int *p2 = &p[1]; // int *p2 = &p[30];
- thread t1(fn, p1);
- thread t2(fn, p2);
然而,并不是,在我的机器上执行下来的结果是:
p[0]
和 p[1]
:560msp[0]
和 p[30]
:104ms 这是因为 p[0]
和 p[1]
在同一条 Cache Line 上,而 p[0]
和 p[30]
则不可能在同一条 Cache Line 上 ,CPU 的缓冲最小的更新单位是 Cache Line,所以,这导致虽然两个线程在写不同的数据,但是因为这两个数据在同一条 Cache Line 上,就会导致缓存需要不断进在两个 CPU 的 L1/L2 中进行同步,从而导致了 5 倍的时间差异。
示例五
接下来,我们再来看一下另外一段代码:我们想统计一下一个数组中的奇数个数,但是这个数组太大了,我们希望可以用多线程来完成,这个统计。下面的代码中,我们为每一个线程传入一个 id ,然后通过这个 id 来完成对应数组段的统计任务。这样可以加快整个处理速度。
- int total_size = 16 * 1024 * 1024; //数组长度
- int* test_data = new test_data[total_size]; //数组
- int nthread = 6; //线程数(因为我的机器是 6 核的)
- int result[nthread]; //收集结果的数组
- void thread_func (int id) {
- result[id] = 0;
- int chunk_size = total_size / nthread + 1;
- int start = id * chunk_size;
- int end = min (start + chunk_size, total_size);
- for ( int i = start; i < end; ++i ) {
- if (test_data[i] % 2 != 0 ) ++result[id];
- }
- }
然而,在执行过程中,你会发现,6 个线程居然跑不过 1 个线程。因为根据上面的例子你知道 result[] 这个数组中的数据在一个 Cache Line 中,所以,所有的线程都会对这个 Cache Line 进行写操作,导致所有的线程都在不断地重新同步 result[] 所在的 Cache Line,所以,导致 6 个线程还跑不过一个线程的结果。这叫 False Sharing。
优化也很简单,使用一个线程内的变量。
- void thread_func (int id) {
- result[id] = 0;
- int chunk_size = total_size / nthread + 1;
- int start = id * chunk_size;
- int end = min (start + chunk_size, total_size);
- int c = 0; //使用临时变量,没有 cache line 的同步了
- for ( int i = start; i < end; ++i ) {
- if (test_data[i] % 2 != 0 ) ++c;
- }
- result[id] = c;
- }
我们把两个程序分别在 1 到 32 个线程上跑一下,得出的结果画一张图如下所示:
上图中,我们可以看到,灰色的曲线就是第一种方法,橙色的就是第二种(用局部变量的)方法。当只有一个线程的时候,两个方法相当,而且第二种方法还略差一点,但是在线程数增加的时候的时候,你会发现,第二种方法的性能提高的非常快。直到到达 6 个线程的时候,开始变得稳定(前面说过,我的 CPU 是 6 核的)。而第一种方法无论加多少线程也没有办法超过第二种方法。因为第一种方法不是 CPU Cache 友好的。
篇幅问题,示例就写到这里,相关的代码参看我的 Github 相关仓库。
本文题目:与程序员相关的CPU缓存知识
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