虚假共享是指多个线程修改位于同一缓存行中的不同变量，导致缓存频繁失效，从而降低性能；其解决方法包括使用缓存行填充、alignas对齐、标准库常量或宏定义缓存行大小，确保每个线程访问的变量独占一个缓存行，尽管增加内存开销，但在高并发场景下性能提升显著。
在C++多线程编程中，虚假共享（False Sharing） 是一个容易被忽视但严重影响性能的问题。它发生在多个线程修改不同的变量，而这些变量恰好位于同一个缓存行（Cache Line）中，导致CPU缓存频繁失效，从而降低程序性能。
什么是虚假共享？
现代CPU为了提高访问速度，将内存按缓存行（通常为64字节）为单位加载到各级缓存中。当一个核心修改了某个变量，该变量所在的整个缓存行会被标记为“已修改”，其他核心中该缓存行的副本就会失效，需要重新从内存或其他核心同步。
如果两个线程分别修改位于同一缓存行中的不同变量，即使变量之间毫无关系，也会因为共享缓存行而频繁触发缓存同步，这就是虚假共享。
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如何避免虚假共享？——缓存行填充
最常用的方法是缓存行填充（Cache Line Padding），即通过在变量之间插入足够的填充字节，确保每个线程独占一个缓存行。
方法一：手动填充结构体
假设你有一个结构体，多个线程会频繁修改其中的成员：
struct Counter { alignas(64) int64_t value; // 对齐到缓存行起始 char padding[64 - sizeof(int64_t)]; // 填充到64字节};
但更常见的是多个计数器并列的情况：
struct PaddedCounter { int64_t value; char padding[64 - sizeof(int64_t)]; // 填充至64字节};PaddedCounter counters[4]; // 每个计数器独占一个缓存行
这样，每个
value
都位于独立的缓存行中，线程修改各自的计数器时不会影响其他线程的缓存。
方法二：使用
alignas
alignas
和结构体对齐
C++11 提供了
alignas
关键字，可以强制变量对齐到特定边界：
struct alignas(64) CounterAligned { int64_t value;};
这样，每个
CounterAligned
实例都会按64字节对齐，只要不连续存放多个实例在同一个缓存行内，就能避免共享。
但注意：如果数组中连续存放多个
CounterAligned
，且每个只占8字节，那么一个缓存行仍可容纳8个对象。因此还需结合填充：
struct NoFalseSharing { int64_t value; alignas(64) char pad; // 下一个变量会从新的缓存行开始};
或者更清晰地：
struct NoFalseSharing { int64_t value; char padding[64 - sizeof(int64_t)];} alignas(64);
方法三：使用标准库或宏定义缓存行大小
缓存行大小在不同平台可能不同（x86_64通常是64字节），可定义宏：
#if defined(__cpp_lib_hardware_interference_size) using std::hardware_destructive_interference_size; using std::hardware_constructive_interference_size;#else // 多数平台为64字节 constexpr size_t hardware_destructive_interference_size = 64;#endifstruct Counter { int64_t value; char padding[hardware_destructive_interference_size - sizeof(int64_t)];};
C++17 起引入了
std::hardware_destructive_interference_size
，专用于避免虚假共享。
注意：该常量在 C++17 中被引入，但在 C++20 中被移除，因为实现困难。许多编译器仍支持，或可通过宏定义模拟。
实际例子：多个线程更新独立计数器
#include #include #include struct BadCase { int64_t a, b; // 在同一缓存行，易发生虚假共享};struct GoodCase { int64_t a; char padding[64 - sizeof(int64_t)]; int64_t b;};int main() { const int n = 10000000; // 测试 BadCase { BadCase c{0, 0}; auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now(); std::thread t1([&]{ for (int i = 0; i < n; ++i) c.a++; }); std::thread t2([&]{ for (int i = 0; i < n; ++i) c.b++; }); t1.join(); t2.join(); auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now(); auto ms = std::chrono::duration_cast(end - start); printf("BadCase: %lld msn", ms.count()); } // 测试 GoodCase { GoodCase c{0, {}, 0}; auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now(); std::thread t1([&]{ for (int i = 0; i < n; ++i) c.a++; }); std::thread t2([&]{ for (int i = 0; i < n; ++i) c.b++; }); t1.join(); t2.join(); auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now(); auto ms = std::chrono::duration_cast(end - start); printf("GoodCase: %lld msn", ms.count()); } return 0;}
在多核系统上，
GoodCase
通常比
BadCase
快数倍。
其他建议
避免在循环中频繁访问跨线程共享的紧密变量优先使用线程局部存储（TLS）或局部变量累加，最后合并结果对于数组，可考虑每个线程使用独立的槽位（如按线程ID索引），并确保槽位间隔至少一个缓存行
例如：
alignas(64) int64_t local_sum[std::thread::hardware_concurrency()];
总结
避免虚假共享的关键是：
理解缓存行的工作机制（通常是64字节）使用填充或对齐确保不同线程访问的变量不在同一缓存行优先使用
alignas(64)
和填充数组在性能敏感的并发计数、状态标志等场景特别注意
虽然填充会增加内存占用，但在高并发场景下，性能提升通常远超内存开销。
基本上就这些，不复杂但容易忽略。
以上就是C++多线程中怎样避免虚假共享 缓存行填充技术的详细内容，更多请关注创想鸟其它相关文章！
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