弱内存模型如何避免伪共享引发的性能下降？不同CPU架构下真/伪共享性能表现差异原因咨询

DevOps 小满

2026-4-16

首先先梳理下你做的测试背景，方便大家理解问题：

你实现了一个真/伪共享基准测试，核心是对指针循环执行加载+自增+写入操作，代码如下：

static void do_increments(volatile size_t *buffer, size_t iterations)
{
    while (iterations) {
        buffer[0]++;
        --iterations;
    }
}

你让两个绑定到不同物理核心的线程在屏障同步后调用这个函数，根据buffer的指向不同，会触发三种场景：

测试结果显示：x86架构下真/伪共享场景对比无共享有明显性能下降，但Cortex-A73这类ARM核心、部分RISC-V核心却没有出现性能损耗。下面就来拆解不同架构的差异原因：

一、x86强内存模型下的缓存颠簸根源

x86采用TSO（Total Store Order）强内存模型，配合MESI系列缓存一致性协议，导致真/伪共享时性能暴跌的核心原因是：

只要有核心要修改某条缓存行（不管是真共享还是伪共享），必须先将其他核心持有的该缓存行副本置为失效状态；其他核心后续要读/写时，必须重新从内存或上级缓存拉取完整缓存行。
x86的存储操作具有全局可见性，不能延迟或重排，这种频繁的“失效-拉取”循环（也就是缓存颠簸）会让核心大量时间浪费在等待缓存同步上，直接拉低性能。

像Cortex-A73、部分RISC-V核心采用弱内存模型，搭配更灵活的缓存一致性协议（比如ARM的MOESI、部分RISC-V的自定义协议），通过以下方式规避伪共享的性能损耗：

存储缓冲与本地转发：弱内存模型允许核心将写操作暂存到本地存储缓冲区，不用立刻同步到全局缓存。如果同一个核心后续读取自己刚写入的数据，直接从缓冲区获取，无需触发缓存行同步。
缓存行私有状态优化：针对伪共享场景，部分核心会将缓存行标记为“私有”状态——只要其他核心没有对该缓存行的写操作，本地写操作无需触发全局失效通知，减少不必要的同步开销。
乱序执行与内存重排：弱内存模型允许存储、加载操作在不违反程序语义的前提下乱序执行，核心可以优先执行不依赖共享缓存行的任务，减少缓存等待带来的空转时间，从整体上掩盖伪共享的性能损耗。

你提到真共享场景在这些架构上也没慢下来，可能是这两个原因：

写更新协议替代写失效：部分弱内存模型架构采用写更新协议（而非x86的写失效），修改缓存行时直接将更新数据广播给其他核心的缓存副本，而非让它们失效后重新拉取。这种方式在小数据频繁写的场景下，比写失效更高效。
测试场景的局限性：如果你的迭代次数不足，缓存颠簸的开销还未体现；或者核心单线程性能足够强，暂时掩盖了共享带来的损耗。

最后给你个验证建议：可以增加测试迭代次数，或者利用架构自带的性能计数器（比如ARM PMU、x86 perf）统计缓存行失效次数，这样能直观看到不同架构的缓存行为差异。

备注：内容来源于stack exchange，提问作者aolo2