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我的JVM(四),2024年最新kafka原理图

我的JVM(四),2024年最新kafka原理图

各级缓存耗时对比:

采用分层缓存的层次结构会带来数据不一致问题,如下图:

那么如何保证数据的一致性,现代CPU处理办法有两种:

(1) 锁系统总线;

(2) 利用缓存一致性协议MESI(Intel处理器用的比较多,还有很多其他的缓存一致性协议),大致结构如下图:

2. CPU的乱序执行

CPU中有个乱序执行的概念,概念图如下:

CPU在执行指令的时候,往往不是顺序执行,但是会遵守as-if-serial原则,也就是最终一致性原则。CPU为了提高指令执行效率,会在一条指令执行过程中(比如去内存读数据),去同时执行另一条指令,前提是这两条指令没有依赖关系。虽然指令执行顺序发生改变,但是不会影响单线程执行结果。多线程情况下为了不让CUP进行指令重排序,则需要用到Volatile关键字,因为Volatile的重要作用之一就是防止指令重排序。

CPU还会存在合并写的现象。当第一条指令往上级缓存写入数据时,由于上级缓存访问速度比较慢,可能第二条指令又对上一条指令的结果进行了修改,那么CPU将这两条指令合并的最终结果一次性的写入到缓存中,这就成为合并写。

3. 如何保证不乱序执行

(1) 内存屏障:java采用的是内存屏障,内存屏障其实就是一个CPU指令,在硬件层面上来说可以扥为两种:Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障。主要有两个作用:

a. 阻止屏障两侧的指令重排序;

b. 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存,让缓存中相应的数据失效。

在JVM层面上来说作用与上面的一样有一个JSR内存屏障,种类可以分为四种:

java底层实现Volatile的禁止指令重排序,也就是JVM会遵循自身的原则,对不同情况的指令添加不同类型的JSR内存屏障。

上述只是再JVM中的实现,那么在系统底层是如何实现的呢?现在大多数的CPU都在底层有指令支持内存屏障的(不同的CUP的内存屏障指令会不一样,并且逻辑上也可能有区别),一共有3条CPU原语( 所谓原语,一般是指由若干条指令组成的程序段,用来实现某个特定功能,在执行过程中不可被中断),如下图:

那么那些没有CPU原语来支持内存屏障的CPU又怎么实现呢,那就需要对总线进行加锁来实现。所以JVM中的内存屏障在不同的CUP中的实现方式是不一样的,一般是CPU原语支持,特殊情况下就是锁总线。

(2) volatile的实现细节

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