【基础3】JVM存储硬件 & 内存屏障

文章目录

• 1.硬件基础
• • 1.1 存储器的层次结构
  • 1.2 多线程数据一致性的硬件支持（硬件层数据一致性问题）
  • 1.3 缓存行技术：cpu优化执行效率的改进
• 2. CPU级别的内存屏障
• 3. JVM级别的有序性保障
• • 3.1 JVM的有序性规范（JSR133）：
  • 3.2 volatile实现细节
  • • 1. 字节码层面
    • 2. JVM层面
    • 3. OS和硬件层面（每个硬件实现方式不一样）
    • 4. synchronized实现细节

1.硬件基础

👉🏿 CPU、MESI、CacheLine、WriteCombining、Fence

1.1 存储器的层次结构

CPU内部：L0-寄存器，L1-高速缓存，L2-高速缓存
CPU共享：L3-高速缓存，L4-主存，L5-磁盘，L6-远程文件存储
👉🏿 离CPU越近，容量越小，但速度越快！

1.2 多线程数据一致性的硬件支持（硬件层数据一致性问题）

总线锁 - 锁粒度太大（老cpu）

MESI： - 缓存锁

缓存一致性协议很多：
Inter用的是MESI：https://www.cnblogs.com/z00377750/p/9180644.html

CPU会给每一个缓存行的内存进行一个状态标记：Modified、Exclusive、Shared、Invalid

然后针对每种状态进行不同的 *** 作处理，目的是：让多颗CPU中的缓存数据保持一致性
有些内容是无法使用缓存锁的，比如数据内容过大，这时只能使用总线锁来保证数据的一致性
现代CPU的数据一致性实现 = 缓存锁（MESI）+ 总线锁

1.3 缓存行技术：cpu优化执行效率的改进

CacheLine是CPU读取缓存是的基本单位！
CacheLine目前为64Byte（和计算机的 *** 作系统有关系）
e.g：cpu要读取一个int类型（4byte），此时一次的交互数据量 = 1CacheLine = 64Byte - 缓存行对齐

2. CPU级别的内存屏障

fence - 指令执行的有序性保障
sfence：sfence指令前的写 *** 作，必须在sfence指令后的写 *** 作前执行完成 ｜ store-fence
lfence：lfence指令前的读 *** 作，必须在lfence指令后的读 *** 作前执行完｜load-fence
mfence：mfence指令前的读写 *** 作，必须在mfence指令后的读写 *** 作前执行完｜mix-fence
fence前后的指令，不允许进行重排序（cpu按照fence划分的区域，来执行指令）

3. JVM级别的有序性保障 3.1 JVM的有序性规范（JSR133）：

LoadLoad屏障：
对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2
在Load2及后续读取 *** 作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

StoreStore屏障：
对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2
在Store2及后续写入 *** 作执行前，保证Store1的写入 *** 作对其它处理器可见。

LoadStore屏障：
对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2
在Store2及后续写入 *** 作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

StoreLoad屏障：
对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2
在Load2及后续所有读取 *** 作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。

3.2 volatile实现细节 1. 字节码层面

access_flags：ACC_VOLATILE

2. JVM层面

volatile内存区的读写，都加屏障
StoreStoreBarrier;volatile写 *** 作;StoreLoadBarrier;
LoadLoadBarrier;volatile读 *** 作;LoadStoreBarrier;

3. OS和硬件层面（每个硬件实现方式不一样）

Windows的实现可以看看
hsdis - HotSpot Dis Assembler - 一个工具（虚拟机反汇编）
windows lock 指令实现 | MESI实现

4. synchronized实现细节

1.字节码层面
access_flags：ACC_SYNCHRONIZED – sync方法
一条指令monitorenter，2条指令monitorexit – sync代码块

2.JVM层面
C C++实现，调用 *** 作系统提供的同步机制（linux、windows）

3.OS和硬件层面
x86：lock cmpxchg / 各种lock指令参数
cmpxchg - compare and exchange
参考博客