Java 底层基础笔记（一）硬件

计算机组成分为五个部分：运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备。其中，运算器和控制器就是我们常说的 CPU，存储器分为内存储器（内存）和外存储器（硬盘），输入输出设备通称 I/O 设备。

一、一些概念

• CPU：计算机的核心，用于计算和控制

• 内存：用来临时存储 CPU 需要的数据，也是 I/O 设备与 CPU 进行沟通的桥梁

• 总线：由一堆用来传输信息的导线组成。通常分为数据总线、地址总线、控制总线，分别用来传输数据、地址和命令。

• 四核八线程：一颗 CPU（一般笔记本电脑只有一颗 CPU）有 4 个物理核，每个核有 2 个逻辑核。每个物理核有自己独立的 ALU、PC、Registers、L1、L2，两个物理核通过 L3 通信，两个逻辑核通过 L2 通信

• 超线程：一个 ALU 对应多个 PC | Registers，所谓的四核八线程

二、CPU

CPU 和 内存是计算机中最核心的部分。CPU 的基本组成一般有 CU、ALU、Registers、PC、MMU、Cache 等。其中：

• CU：Control Unit，控制单元

• ALU：Arithmetic & Logic Unit，逻辑运算单元

• Registers：寄存器，用来暂时存储 CPU 计算需要用到的数据

• PC：Program Counter，程序计数器，用来记录当前指令地址，可以把内存看作一个超大的字节数组，PC 存储着该指令在这个字节数组的下标

• MMU：Memory Management Unit，内存管理单元

• Cache：缓存

1、CPU 组成图

多核 CPU 如下所示，多个 CPU 通过总线通信，单颗 CPU 的多个核心通过 L3 通信，单个核心的多个逻辑核心通过 L2 通信（超线程技术）。

2、Cache

CPU Cache 目前通常使用三层缓存，L1、L2、L3。增加缓存的目的是为了提高效率，因为主存的速度差不多要比寄存器慢 100 倍，具体的存储器层次结构如下图：

3、程序局部性原理

CPU 为了提高效率，充分发挥总线、CPU 针脚等一次性读取更多的数据，通常会按块读取数据，也就是一次性读取一个 cache line（缓存行）的数据，现代 CPU 缓存行大小通常为 64 个字节。

• MESI 缓存一致性协议：保证同一缓存行数据的一致性，是缓存锁的实现之一。但当跨多个缓存行或无法被缓存的数据，则必须使用总线锁

• Java 中的缓存行对齐

• 对于有些特别敏感的数字，会存在线程高竞争的访问，为了保证不发生伪共享，可以使用缓存行对齐的编程方式，如 disruptor

• JVM 会对 Java 对象和对象内的字段做内存对齐，必须是 8 的倍数。这是为了让对象或字段只出现在同一 CPU 的缓存行中，防止跨缓存行存储污染多个缓存行

• 局部性：除了 CPU 会分 cache line，内存也会分页，硬盘分块，都是为了提高效率。

4、CPU 乱序执行

为了提高效率，CPU 会在进行读等待的同时执行先执行指令，从存储器的层次结构我们知道，主存比寄存器约慢了 100 倍，如果 CPU 执行一条指令需要等待去主存读取数据后才能再执行，那么会浪费 CPU 的资源，所以当前后两条执行没有关联关系时，CPU 会先执行下一条指令。这在单线程下是没有问题的，但当跑在多线程环境时，就会出现指令重排序的乱序问题。

（1）CPU 层面如何禁止重排序？

• 通过内存屏障，Intel 提供三条原语（mfence lfence sfence）实现内存屏障

• 锁总线

• Intel 的 lock 汇编指令

（2）JSR 内存屏障（JVM）

JVM 提供四条内存屏障指令，分别是：LoadLoad、StoreStore、LoadStore、StoreLoad。如 volatile 就是通过这四条内存屏障实现禁止指令重排。但在 CPU 层面是通过 lock addl 指令实现

（3）Hanppens-before 原则

JVM 规定重排序必须遵守的 8 个规则。在这 8 中规则之内不允许指令重排。

（4）as-if-serial 语义

不管如何重排序，单线程执行结果不会改变（看上去像是 serial 一样）。

5、编译执行与解释执行

• 编译执行：编译好的编译文件，已经是机器码了，如 C 语音编译文件。读取到内存中，CPU 可以直接运行。

• 解释执行：编译好的文件，是一个字节码（bytecode）文件，如 Java 的 class 文件，需要 JVM 解释成机器码，再交给 CPU 执行。