如何用Golang编写缓存友好的代码 详解CPU缓存行对齐与伪共享避免

缓存友好的 go 代码可通过结构体填充和字段隔离来避免伪共享。1. 伪共享是指多个线程访问同一缓存行中的不同变量导致性能下降；2. 可通过性能测试、pprof 分析等方式识别伪共享；3. 手动填充结构体字段使每个字段独占缓存行，如使用 [56]byte 填充到 64 字节；4. 高并发场景建议对高频写入字段进行 padding，读写分离，避免相邻变量竞争，并关注平台缓存行大小。

在编写高性能程序时，缓存友好的代码设计往往被忽视，但却是提升性能的关键。Golang 作为一门面向系统编程的语言，在并发和性能方面表现优秀，但如果代码不考虑 CPU 缓存的行为，就可能因为“伪共享”等问题导致性能下降。本文将从实际出发，讲讲如何写出缓存友好的 Go 代码，尤其是围绕缓存行对齐与避免伪共享这两个关键点。

什么是缓存行和伪共享

现代 CPU 为了提高访问内存的效率，引入了多级缓存（L1、L2、L3），而缓存是以“缓存行”为单位管理的。常见的缓存行大小是 64 字节。

伪共享是指多个线程同时访问同一个缓存行中的不同变量，虽然这些变量逻辑上无关，但由于它们位于同一缓存行中，当一个线程修改其中一个变量时，会导致整个缓存行失效，其他线程必须重新加载，从而引发性能问题。

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举个例子：两个 goroutine 分别操作结构体中的两个字段，如果这两个字段靠得太近，刚好落在同一缓存行中，就会触发伪共享，影响并发性能。

如何识别伪共享现象

要判断是否发生了伪共享，通常可以通过以下几种方式：

• 性能测试对比：在并发场景下，增加线程数反而性能没有明显提升甚至下降。
• pprof 工具分析：使用 pprof 的 CPU 或互斥锁分析工具，查看是否有频繁的锁等待或上下文切换。
• 硬件计数器监控：通过 perf 等工具观察 cache line 相关事件，如 LLC-load-misses。

不过在 Go 中，由于语言抽象层次较高，直接使用硬件监控不太方便，所以更多是依靠结构设计和经验来规避。

如何避免伪共享：缓存行对齐技巧

在 Go 中，可以通过手动填充结构体字段（padding）的方式，确保不同字段分布在不同的缓存行中。例如，假设缓存行大小为 64 字节，可以这样设计结构体：

type PaddedCounter struct {
    count int64
    _     [56]byte // 填充到64字节
}

这个结构体总共占 64 字节，每个实例独占一个缓存行，避免与其他结构体字段发生伪共享。

如果你有多个并发访问的字段，也可以分别隔离在不同缓存行中：

type SharedStruct struct {
    a int64
    _ [56]byte // 隔离 a 和 b

    b int64
    _ [56]byte // 隔离 b 和其他字段
}

需要注意的是，这种方式会增加内存占用，因此只适用于确实存在竞争的关键结构。

实际应用建议

在编写高并发服务（如网络服务器、数据库中间件等）时，以下几点值得参考：

• 对高频写入的结构体进行 padding 处理，特别是用于统计、计数的字段。
• 尽量让读写分离，把经常读取的字段放在一起，减少缓存污染。
• 避免多个 goroutine 同时写入相邻变量，即使它们是不同字段。
• 了解目标平台的缓存行大小，虽然大多数是 64 字节，但在某些平台上可能是 128 字节。

另外，Go 1.17 引入了 //go:align 指令，可以更精细地控制结构体内存对齐，不过目前还不能完全替代手动 padding。

基本上就这些。写出缓存友好的代码并不复杂，但容易被忽略。尤其在追求极致性能的场景下，理解并利用好 CPU 缓存机制，能带来意想不到的收益。

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