你不好奇 CPU 是如何执行任务的？

前言

你清楚下面这几个问题吗？

  • 有了内存，为什么还需要 CPU Cache？

  • CPU 是怎么读写数据的？

  • 如何让 CPU 能读取数据更快一些？

  • CPU 伪共享是如何发生的？又该如何避免？

  • CPU 是如何调度任务的？如果你的任务对响应要求很高，你希望它总是能被优先调度，这该怎么办？

  • …

这篇，我们就来回答这些问题。

正文

CPU 如何读写数据的？

先来认识 CPU 的架构，只有理解了 CPU 的架构，才能更好地理解 CPU 是如何读写数据的，对于现代 CPU 的架构图如下：

可以看到，一个 CPU 里通常会有多个 CPU 核心，比如上图中的 1 号和 2 号 CPU 核心，并且每个 CPU 核心都有自己的 L1 Cache 和 L2 Cache，而 L1 Cache 通常分为 dCache（数据缓存） 和 iCache（指令缓存），L3 Cache 则是多个核心共享的，这就是 CPU 典型的缓存层次。

上面提到的都是 CPU 内部的 Cache，放眼外部的话，还会有内存和硬盘，这些存储设备共同构成了金字塔存储层次。如下图所示：

从上图也可以看到，从上往下，存储设备的容量会越大，而访问速度会越慢。至于每个存储设备的访问延时，你可以看下图的表格：

你可以看到， CPU 访问 L1 Cache 速度比访问内存快 100 倍，这就是为什么 CPU 里会有 L1~L3 Cache 的原因，目的就是把 Cache 作为 CPU 与内存之间的缓存层，以减少对内存的访问频率。

CPU 从内存中读取数据到 Cache 的时候，并不是一个字节一个字节读取，而是一块一块的方式来读取数据的，这一块一块的数据被称为 CPU Line（缓存行），所以 CPU Line 是 CPU 从内存读取数据到 Cache 的单位。

至于 CPU Line 大小，在 Linux 系统可以用下面的方式查看到，你可以看我服务器的 L1 Cache Line 大小是 64 字节，也就意味着 L1 Cache 一次载入数据的大小是 64 字节。

对数组的加载，CPU 就会加载数组里面连续的多个数据到 Cache 里，因此我们应该按照物理内存地址分布的顺序去访问元素，这样访问数组元素的时候，Cache 命中率就会很高，于是就能减少从内存读取数据的频率，从而可提高程序的性能。

但是，在我们不使用数组，而是使用单独的变量的时候，则会有 Cache 伪共享的问题，Cache 伪共享问题是一个性能杀手，我们应该要规避它。

接下来，就来看看 Cache 伪共享是什么？又如何避免这个问题？

现在假设有一个双核心的 CPU，这两个 CPU 核心并行运行着两个不同的线程，它们同时从内存中读取两个不同的数据，分别是类型为 long 的变量 A 和 B，这两个数据的地址在物理内存上是连续的，如果 Cahce Line 的大小是 64 字节，并且变量 A 在 Cahce Line 的开头位置，那么这两个数据是位于同一个 Cache Line 中，又因为 CPU Line 是 CPU 从内存读取数据到 Cache 的单位，所以这两个数据会被同时读入到两个 CPU 核心的各自 Cache 中。

我们来思考一个问题，如果这两个不同核心的线程分别修改不同的数据，比如 1 号 CPU 核心的线程只修改了变量 A，或 2 号 CPU 核心的线程只修改了变量 B，会发生什么呢？

分析伪共享的问题

现在我们结合保证多核缓存一致的 MESI 协议，来说明这一整个的过程。

①. 最开始变量 A 和 B 都还不在 Cache 里面，假设 1 号核心绑定了线程 A，2 号核心绑定了线程 B，线程 A 只会读写变量 A，线程 B 只会读写变量 B。

②. 1 号核心读取变量 A，由于 CPU 从内存读取数据到 Cache 的单位是 Cache Line，也正好变量 A 和 变量 B 的数据归属于同一个 Cache Line，所以 A 和 B 的数据都会被加载到 Cache，并将此 Cache Line 标记为「独占」状态。

③.  接着，2 号核心开始从内存里读取变量 B，同样的也是读取 Cache Line 大小的数据到 Cache 中，此 Cache Line 中的数据也包含了变量 A 和 变量 B，此时 1 号和 2 号核心的 Cache Line 状态变为「共享」状态。

④. 1 号核心需要修改变量 A，发现此 Cache Line 的状态是「共享」状态，所以先需要通过总线发送消息给 2 号核心，通知 2 号核心把 Cache 中对应的 Cache Line 标记为「已失效」状态，然后 1 号核心对应的 Cache Line 状态变成「已修改」状态，并且修改变量 A。

⑤. 之后，2 号核心需要修改变量 B，此时 2 号核心的 Cache 中对应的 Cache Line 是已失效状态，另外由于 1 号核心的 Cache 也有此相同的数据，且状态为「已修改」状态，所以要先把 1 号核心的 Cache 对应的 Cache Line 写回到内存，然后 2 号核心再从内存读取 Cache Line 大小的数据到 Cache 中，最后把变量 B 修改到 2 号核心的 Cache 中，并将状态标记为「已修改」状态。

所以，可以发现如果 1 号和 2 号 CPU 核心这样持续交替地分别修改变量 A 和 B，就会重复 ④ 和 ⑤ 这两个步骤，Cache 并没有起到缓存的效果，虽然变量 A 和 B 之间其实并没有任何的关系，但是因为同时归属于一个 Cache Line ，这个 Cache Line 中的任意数据被修改后，都会相互影响，从而出现 ④ 和 ⑤ 这两个步骤。

因此，这种因为多个线程同时读写同一个 Cache Line 的不同变量时，而导致 CPU Cache 失效的现象称为伪共享（False Sharing）。

避免伪共享的方法

因此，对于多个线程共享的热点数据，即经常会修改的数据，应该避免这些数据刚好在同一个 Cache Line 中，否则就会出现伪共享的问题。

接下来，看看在实际项目中是用什么方式来避免伪共享的问题的。

在 Linux 内核中存在 __cacheline_aligned_in_smp 宏定义，是用于解决伪共享的问题。

从上面的宏定义，我们可以看到：

  • 如果在多核（MP）系统里，该宏定义是 __cacheline_aligned，也就是 Cache Line 的大小；

  • 而如果在单核系统里，该宏定义是空的；

因此，针对在同一个 Cache Line 中的共享的数据，如果在多核之间竞争比较严重，为了防止伪共享现象的发生，可以采用上面的宏定义使得变量在 Cache Line 里是对齐的。

举个例子，有下面这个结构体：

结构体里的两个成员变量 a 和 b 在物理内存地址上是连续的，于是它们可能会位于同一个 Cache Line 中，如下图：

所以，为了防止前面提到的 Cache 伪共享问题，我们可以使用上面介绍的宏定义，将 b 的地址设置为 Cache Line 对齐地址，如下：

这样 a 和 b 变量就不会在同一个 Cache Line 中了，如下图：

所以，避免  Cache 伪共享实际上是用空间换时间的思想，浪费一部分 Cache 空间，从而换来性能的提升。

我们再来看一个应用层面的规避方案，有一个 Java 并发框架 Disruptor 使用「字节填充 + 继承」的方式，来避免伪共享的问题。

Disruptor 中有一个 RingBuffer 类会经常被多个线程使用，代码如下：

你可能会觉得 RingBufferPad 类里 7 个 long 类型的名字很奇怪，但事实上，它们虽然看起来毫无作用，但却对性能的提升起到了至关重要的作用。

我们都知道，CPU Cache 从内存读取数据的单位是 CPU Line，一般 64 位 CPU 的 CPU Line 的大小是 64 个字节，一个 long 类型的数据是 8 个字节，所以 CPU 一下会加载 8 个 long 类型的数据。

根据 JVM 对象继承关系中父类成员和子类成员，内存地址是连续排列布局的，因此 RingBufferPad 中的 7 个 long 类型数据作为 Cache Line 前置填充，而 RingBuffer 中的 7 个 long 类型数据则作为 Cache Line 后置填充，这 14 个 long 变量没有任何实际用途，更不会对它们进行读写操作。

另外，RingBufferFelds 里面定义的这些变量都是 final 修饰的，意味着第一次加载之后不会再修改，又由于「前后」各填充了 7 个不会被读写的 long 类型变量，所以无论怎么加载 Cache Line，这整个 Cache Line 里都没有会发生更新操作的数据，于是只要数据被频繁地读取访问，就自然没有数据被换出 Cache 的可能，也因此不会产生伪共享的问题。

CPU 如何选择线程的？

了解完 CPU 读取数据的过程后，我们再来看看 CPU 是根据什么来选择当前要执行的线程。

在 Linux 内核中，进程和线程都是用 task_struct 结构体表示的，区别在于线程的 task_struct 结构体里部分资源是共享了进程已创建的资源，比如内存地址空间、代码段、文件描述符等，所以 Linux 中的线程也被称为轻量级进程，因为线程的 task_struct 相比进程的 task_struct 承载的资源比较少，因此以「轻」得名。

一般来说，没有创建线程的进程，是只有单个执行流，它被称为是主线程。如果想让进程处理更多的事情，可以创建多个线程分别去处理，但不管怎么样，它们对应到内核里都是 task_struct。

所以，Linux 内核里的调度器，调度的对象就是 task_struct，接下来我们就把这个数据结构统称为任务。

在 Linux 系统中，根据任务的优先级以及响应要求，主要分为两种，其中优先级的数值越小，优先级越高：

  • 实时任务，对系统的响应时间要求很高，也就是要尽可能快地执行实时任务，优先级在 0~99 范围内的就算实时任务；

  • 普通任务，响应时间没有很高的要求，优先级在 100~139 范围内的都是普通任务级别；

调度类

由于任务有优先级之分，Linux 系统为了保障高优先级的任务能够尽可能早地被执行，于是分为了这几种调度类，如下图：

Deadline 和 Realtime 这两个调度类，都是应用于实时任务的，这两个调度类的调度策略合起来共有这三种，它们的作用如下：

  • SCHED_DEADLINE：是按照 deadline 进行调度的，距离当前时间点最近的 deadline 的任务会被优先调度；

  • SCHED_FIFO：对于相同优先级的任务，按先来先服务的原则，但是优先级更高的任务，可以抢占低优先级的任务，也就是优先级高的可以「插队」；

  • SCHED_RR：对于相同优先级的任务，轮流着运行，每个任务都有一定的时间片，当用完时间片的任务会被放到队列尾部，以保证相同优先级任务的公平性，但是高优先级的任务依然可以抢占低优先级的任务；

而 Fair 调度类是应用于普通任务，都是由 CFS 调度器管理的，分为两种调度策略：

  • SCHED_NORMAL：普通任务使用的调度策略；

  • SCHED_BATCH：后台任务的调度策略，不和终端进行交互，因此在不影响其他需要交互的任务，可以适当降低它的优先级。

完全公平调度

我们平日里遇到的基本都是普通任务，对于普通任务来说，公平性最重要，在 Linux 里面，实现了一个基于 CFS 的调度算法，也就是完全公平调度（Completely Fair Scheduling）。

这个算法的理念是想让分配给每个任务的 CPU 时间是一样，于是它为每个任务安排一个虚拟运行时间 vruntime，如果一个任务在运行，其运行得越久，该任务的 vruntime 自然就会越大，而没有被运行的任务，vruntime 是不会变化的。

那么，在 CFS 算法调度的时候，会优先选择 vruntime 少的任务，以保证每个任务的公平性。

这就好比，让你把一桶的奶茶平均分到 10 杯奶茶杯里，你看着哪杯奶茶少，就多倒一些；哪个多了，就先不倒，这样经过多轮操作，虽然不能保证每杯奶茶完全一样多，但至少是公平的。

当然，上面提到的例子没有考虑到优先级的问题，虽然是普通任务，但是普通任务之间还是有优先级区分的，所以在计算虚拟运行时间 vruntime 还要考虑普通任务的权重值，注意权重值并不是优先级的值，内核中会有一个 nice 级别与权重值的转换表，nice 级别越低的权重值就越大，至于 nice 值是什么，我们后面会提到。于是就有了以下这个公式：

你可以不用管 NICE_0_LOAD 是什么，你就认为它是一个常量，那么在「同样的实际运行时间」里，高权重任务的 vruntime 比低权重任务的 vruntime 少，你可能会奇怪为什么是少的？你还记得 CFS 调度吗，它是会优先选择 vruntime 少的任务进行调度，所以高权重的任务就会被优先调度了，于是高权重的获得的实际运行时间自然就多了。

CPU 运行队列

一个系统通常都会运行着很多任务，多任务的数量基本都是远超 CPU 核心数量，因此这时候就需要排队。

事实上，每个 CPU 都有自己的运行队列（Run Queue, rq），用于描述在此 CPU 上所运行的所有进程，其队列包含三个运行队列，Deadline 运行队列 dl_rq、实时任务运行队列 rt_rq 和 CFS 运行队列 csf_rq，其中 csf_rq 是用红黑树来描述的，按 vruntime 大小来排序的，最左侧的叶子节点，就是下次会被调度的任务。

这几种调度类是有优先级的，优先级如下：Deadline > Realtime > Fair，这意味着 Linux 选择下一个任务执行的时候，会按照此优先级顺序进行选择，也就是说先从 dl_rq 里选择任务，然后从 rt_rq 里选择任务，最后从 csf_rq 里选择任务。因此，实时任务总是会比普通任务优先被执行。

调整优先级

如果我们启动任务的时候，没有特意去指定优先级的话，默认情况下都是普通任务，普通任务的调度类是 Fail，由 CFS 调度器来进行管理。CFS 调度器的目的是实现任务运行的公平性，也就是保障每个任务的运行时间是差不多的。

如果你想让某个普通任务有更多的执行时间，可以调整任务的 nice 值，从而让优先级高一些的任务执行更多时间。nice 的值能设置的范围是 -20～19， 值越低，表明优先级越高，因此 -20 是最高优先级，19 则是最低优先级，默认优先级是 0。

是不是觉得 nice 值的范围很诡异？事实上，nice 值并不是表示优先级，而是表示优先级的修正数值，它与优先级（priority）的关系是这样的：priority(new) = priority(old) + nice。内核中，priority 的范围是 0~139，值越低，优先级越高，其中前面的 0~99 范围是提供给实时任务使用的，而 nice 值是映射到 100~139，这个范围是提供给普通任务用的，因此 nice 值调整的是普通任务的优先级。

在前面我们提到了，权重值与 nice 值的关系，nice 值越低，权重值就越大，计算出来的 vruntime 就会越少，由于 CFS 算法调度的时候，就会优先选择 vruntime 少的任务进行执行，所以 nice 值越低，任务的优先级就越高。

我们在启动任务的时候，可以指定 nice 的值，比如将 mysqld 以 -3 优先级：

如果想修改已经运行中的任务的优先级，则可以使用 renice 来调整 nice 值：

nice 调整的是普通任务的优先级，所以不管怎么缩小 nice 值，任务永远都是普通任务，如果某些任务要求实时性比较高，那么你可以考虑改变任务的优先级以及调度策略，使得它变成实时任务，比如：

总结

理解 CPU 是如何读写数据的前提，是要理解 CPU 的架构，CPU 内部的多个 Cache + 外部的内存和磁盘构成了金字塔的存储器结构，在这个金字塔中，越往下，存储器的容量就越大，但访问速度就会小。

CPU 读写数据的时候，并不是按一个一个字节为单位来进行读写，而是以 CPU Line 大小为单位，CPU Line 大小一般是 64 个字节，也就意味着 CPU 读写数据的时候，每一次都是以 64 字节大小为一块进行操作。

因此，如果我们操作的数据是数组，那么访问数组元素的时候，按内存分布的地址顺序进行访问，这样能充分利用到 Cache，程序的性能得到提升。但如果操作的数据不是数组，而是普通的变量，并在多核 CPU 的情况下，我们还需要避免 Cache Line 伪共享的问题。

所谓的 Cache Line 伪共享问题就是，多个线程同时读写同一个 Cache Line 的不同变量时，而导致 CPU Cache 失效的现象。那么对于多个线程共享的热点数据，即经常会修改的数据，应该避免这些数据刚好在同一个 Cache Line 中，避免的方式一般有 Cache Line 大小字节对齐，以及字节填充等方法。

系统中需要运行的多线程数一般都会大于 CPU 核心，这样就会导致线程排队等待 CPU，这可能会产生一定的延时，如果我们的任务对延时容忍度很低，则可以通过一些人为手段干预 Linux 的默认调度策略和优先级。

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