C誤った共有の例

誤った共有は、複数のスレッドが同じキャッシュラインの異なる変数を変更し、キャッシュの故障とパフォーマンスの劣化をもたらすと発生します。 1.構造塗りつぶしを使用して、各変数を1つのキャッシュラインのみを占めるようにします。 2。メモリアライメントにalignasまたはstd :: hardware_destructive_interference_sizeを使用します。 3.スレッドローカル変数を使用して最終的に結果をマージし、それにより擬似共有を回避し、マルチスレッドプログラムのパフォーマンスを改善します。

マルチスレッドプログラミングでは、誤った共有は一般的なパフォーマンストラップです。複数のスレッドが同じキャッシュラインにある異なる変数を変更し、不必要なキャッシュの故障とパフォーマンスの劣化をもたらすと発生します。開発者はメモリレイアウトを直接制御できるため、この問題はCで特に発生する傾向があります。

これは、典型的なC虚偽共有の例とそれを修正する方法です。

？偽の共有とは何ですか？

最新のCPUキャッシュ「キャッシュライン」（通常64バイト）にデータをロードします。 2つの変数が同じキャッシュラインにある場合、異なるスレッドで独立してアクセスされた場合でも、1つのスレッドの書き込みにより、別のスレッドのキャッシュラインが無効になるため、メモリからのリロードが強制されます。これは擬似共有です。

？擬似共有サンプルコード

#include <thread>
#include <vector>
#include <Chrono>
#include <iostream>

alignas（64）struct counter {
    揮発性長い値= 0;
};

const int num_threads = 4;
const long Iterations = 10&#39;000&#39;000;

//複数のスレッドは配列を共有しますが、各スレッドは異なる要素で動作しますstd :: vector <counter> counters_bad（num_threads）;

void worker_bad（int tid）{
    for（long i = 0; i <iterations; i）{
        counters_bad [tid] .value;
    }
}

int main（）{
    std :: vector <std :: thread> threads;

    auto start = std :: chrono :: high_resolution_clock :: now（）;

    for（int i = 0; i <num_threads; i）{
        threads.emplace_back（worker_bad、i）;
    }

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

    auto end = std :: chrono :: high_resolution_clock :: now（）;
    Auto duration = std :: Chrono :: Duration_cast <std :: Chrono :: milliseconds>（end -start）;

    std :: cout << "bad（false共有）：" << duration.count（）<< "ms \ n";
    0を返します。
}

⚠️各スレッドはcounters_bad[tid]を動作させますが、 Counter構造はalignas(64)のみを使用して個々の変数を整列させ、 std::vectorの要素は継続的に保存されます。 Counterが十分に満たされていない場合、複数のCounter同じキャッシュラインに絞り、擬似共有を引き起こす可能性があります。

しかし、上記のコードは実際には十分に一般的ではありません。より明確な比較を書きましょう。

？比較：擬似共有と擬似共有はありません

#include <thread>
#include <vector>
#include <Chrono>
#include <iostream>

//方法1：誤った共有を生成するのは簡単です（変数が近すぎます）
struct counterfalse {
    揮発性長いa = 0;
    //パディングなしでは、複数のカウンターファルスがキャッシュラインを共有する場合があります};

//方法2：誤った共有を避け、手動でそれをキャッシュラインstructカウンター固定{に入力します{
    揮発性長いa = 0;
    Char Padding [64 -sizeof（long）]; // 64バイトに入力};

const int num_threads = 4;
const long Iterations = 10&#39;000&#39;000;

//テスト1：false共有バージョンstd :: vector <CounterFalse> counters_false（num_threads）;
void worker_false（int tid）{
    for（long i = 0; i <iterations; i）{
        counters_false [tid] .a;
    }
}

//テスト2：偽の共有バージョンstd :: vector <Counterfixed> counters_fixed（num_threads）;
void worker_fixed（int tid）{
    for（long i = 0; i <iterations; i）{
        counters_fixed [tid] .a;
    }
}

int main（）{
    std :: vector <std :: thread> threads;

    //誤った共有をテストします
    auto start = std :: chrono :: high_resolution_clock :: now（）;
    for（int i = 0; i <num_threads; i）{
        threads.emplace_back（worker_false、i）;
    }
    for（auto＆t：threads）t.join（）;
    auto end = std :: chrono :: high_resolution_clock :: now（）;
    auto duration1 = std :: chrono :: duter_cast <std :: chrono :: milliseconds>（end -start）;
    std :: cout << "false共有：" << duration1.count（）<< "ms \ n";

    threads.clear（）;

    //固定バージョンをテストします
    start = std :: chrono :: high_resolution_clock :: now（）;
    for（int i = 0; i <num_threads; i）{
        threads.emplace_back（worker_fixed、i）;
    }
    for（auto＆t：threads）t.join（）;
    end = std :: chrono :: high_resolution_clock :: now（）;
    auto duration2 = std :: chrono :: duter_cast <std :: chrono :: milliseconds>（end -start）;
    std :: cout << "false共有なし：" << duration2.count（）<< "ms \ n";

    0を返します。
}

？出力の例（マルチコアマシン上）

誤った共有で：850ミリ秒
誤った共有なし：220ミリ秒

擬似共有を回避した後、パフォーマンスの改善が重要であることがわかります（約4倍） 。

？誤った共有を避ける方法は？

• パディングの使用：各スレッドが変数がキャッシュラインのみを占めることを確認してください（通常64バイト）。
• alignas(64) ：構造または変数の力のアライメント。
• eachスレッドはローカル変数を使用し、最後にマージします。共有変数アクセスを減らします。
• 標準ライブラリによって提供されるアライメントツールを使用します（C 11のalignasやstd::hardware_destructive_interference_sizeなど）

？ C 17は、推奨される2つの定数を導入します。

• std::hardware_destructive_interference_size ：擬似共有を避けるための最小間隔（通常はキャッシュラインサイズ）
• std::hardware_constructive_interference_size ：共有の推奨サイズ

例（C 17から）：

 struct alignas（std :: hardware_destructive_interference_size）counter {
    揮発性長い値= 0;
};

？要約します

• 誤った共有は無害に見えますが、実際にはマルチスレッドプログラムを大幅に遅くしています。
• 複数のスレッドが「論理的に独立しているが物理的に近い」変数を頻繁に書き込む場合、トリガーが簡単です。
• 回避策：変数が同じキャッシュライン上にないことを確認するためのメモリパディングアライメント。
• この問題は、パフォーマンスに敏感な並列プログラム（高周波カウント、同時統計など）で注意を払う必要があります。

基本的にこれはすべて複雑ではありませんが、無視するのは簡単です。

以上がC誤った共有の例の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。