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我的JVM(四),我的華為面試經曆分享

2021-08-20 04:33:13 程序小茉莉

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? ?各級緩存耗時對比:

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? ?采用分層緩存的層次結構會帶來數據不一致問題,如下圖:

???

? ?那麼如何保證數據的一致性,現代CPU處理辦法有兩種:

? ?(1) 鎖系統總線;

? (2) 利用緩存一致性協議MESI(Intel處理器用的比較多,還有很多其他的緩存一致性協議),大致結構如下圖:

?

?2. CPU的亂序執行

??CPU中有個亂序執行的概念,概念圖如下:

CPU在執行指令的時候,往往不是順序執行,但是會遵守as-if-serial原則,也就是最終一致性原則。CPU為了提高指令執行效率,會在一條指令執行過程中(比如去內存讀數據),去同時執行另一條指令,前提是這兩條指令沒有依賴關系。雖然指令執行順序發生改變,但是不會影響單線程執行結果。多線程情况下為了不讓CUP進行指令重排序,則需要用到Volatile關鍵字,因為Volatile的重要作用之一就是防止指令重排序。

?CPU還會存在合並寫的現象。當第一條指令往上級緩存寫入數據時,由於上級緩存訪問速度比較慢,可能第二條指令又對上一條指令的結果進行了修改,那麼CPU將這兩條指令合並的最終結果一次性的寫入到緩存中,這就成為合並寫。

?3. 如何保證不亂序執行

(1) 內存屏障:java采用的是內存屏障,內存屏障其實就是一個CPU指令,在硬件層面上來說可以扥為兩種:Load Barrier 和 Store Barrier即讀屏障和寫屏障。主要有兩個作用:

???a. 阻止屏障兩側的指令重排序;

???b. 强制把寫緩沖區/高速緩存中的髒數據等寫回主內存,讓緩存中相應的數據失效。

在JVM層面上來說作用與上面的一樣有一個JSR內存屏障,種類可以分為四種:
?

java底層實現Volatile的禁止指令重排序,也就是JVM會遵循自身的原則,對不同情况的指令添加不同類型的JSR內存屏障。

?上述只是再JVM中的實現,那麼在系統底層是如何實現的呢?現在大多數的CPU都在底層有指令支持內存屏障的(不同的CUP的內存屏障指令會不一樣,並且邏輯上也可能有區別),一共有3條CPU原語( 所謂原語,一般是指由若幹條指令組成的程序段,用來實現某個特定功能,在執行過程中不可被中斷),如下圖:

?

?那麼那些沒有CPU原語來支持內存屏障的CPU又怎麼實現呢,那就需要對總線進行加鎖來實現。所以JVM中的內存屏障在不同的CUP中的實現方式是不一樣的,一般是CPU原語支持,特殊情况下就是鎖總線。

(2) volatile的實現細節

???a. 字節碼層面:編譯成class文件後,變量的前面就有了一個修飾符valatile,是寫在了二進制文件中的,如下圖(結合class文件結構來看):
?

?b. jvm層面:對於所有volatile修飾的這塊內存的寫操作前加了一個StoreStoreBarrier,後面加了一個StoreLoadBarrier;這塊內存的讀操作前加了一個LoadLoadBarrier,後面加了一個LoadStoreBarrier。內存屏障兩邊的指令禁止重排序,來保證這塊內容的讀寫不受CUP重排序的影響。如下圖:

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