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[原理分析]多核下的缓存块伪共享问题

2024-08-01 17:45:24   234人阅读

摘要：

本文主要介绍多核下的缓存块伪共享问题，该问题的存在可能导致的有趣现象：两个核跑一个程序，不如单个核跑该程序来得快。

正文：

1.本文考虑的处理器中每个核私有L1缓存，并且多个核共享L2缓存；L1和L2缓存中的缓存块大小都为64bytes，认为double数据类型在本机器上需要8bytes来表示；

2. 缓存一致性的协议：本文考虑的缓存一致性是基于监听(snoop)的写无效(write invalidate)策略，给个简单的例子来说明该策略：当core 0和core 1读访问L2中的缓存块A时，那么在core0和core1中同时存在缓存块A的两个拷贝；当core0写L1中的缓存块A拷贝时，并且在总线上发消息说：自己修改了A缓存块；那么core1接受到该消息时，就知道自己L1中的缓存块A拷贝不是最新，此时core1就会将自己的缓存块A拷贝置为无效；当core1再次要访问该缓存块时，由于发现无效，就会从外部（比如从core0的L1缓存）读取最新的拷贝。上述的缓存一致性策略就是基于监听的写无效策略。

3. 下面是本文要考虑的程序：

int i, j, m, n;
double y[m];

for(int i=0; i<m; i++)
	for(int j=0; j<n; j++)
		y[i]+=f(i, j);
我们修改上述的代码，使得其可以在两个core上并行执行，修改后的代码中core_count设置为2，具体如下：

int i, j, iter_count;
int m, n, core_count;
double y[m];
iter_count = m/core_count;

//so core 0 does this
for(i=0; i<iter_count; i++)
	for(j=0; j<n; j++)
		y[i]+=f(i,j);

//so core 1 does this;
for(i=iter_count; i<2*iter_count; i++)
	for(j=0; j<n; j++)
		y[i]+=f(i, j);
假设这里的m=8, 一个缓存块的大小为64bytes, 并且一个double需要8个bytes，这样的情况下，所有的y数组元素刚好占用一个缓存块：其中的y[0-3]元素（缓存块前半段）由core0写访问；而其中的y[4-7]数组元素（缓存块后半段）由core1写访问。虽然每个core上运行的代码只对属于自己的那部分y进行操作，但是由于缓存块在core0和core1中都有拷贝；所以产生的现象是每次一个core对自己那部分的y值进行操作时，另外一个core上的缓存拷贝就会被invalid，造成需要重新读取该cache line的情况；因为这里的两个core其实都不会用到对方的数据，但是实际运行中却会相互影响，使得对方的缓存拷贝无效化，对方要用到该缓存拷贝中的数据时，又需要重新进行读取；由于读取缓存块的时间极大地滞后于处理器计算的速度，因此上述的伪共享会极大影响系统性能：造成两个核的处理速度，不如一个核。

结束语：

本文主要介绍多核下的缓存块伪共享问题，该问题的存在可能导致的有趣现象：两个核跑一个程序，不如单个核跑该程序来得快。


[原理分析]多核下的缓存块伪共享问题


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