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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：

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? ?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：
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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)：
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?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：