存储结构-缓存行-乱序问题

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2022-10-22 04:25 161阅读 0赞

**目录**

1、存储器的层次结构图

2、缓存行（Cache line）

2.1 什么是缓存行问题

2.2 数据一致问题怎么解决（总线锁+一致性协议  混合模式）

2.3 缓存行对齐解决额外消耗

3、CPU的乱序执行

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JMM(Java Memory Mode)

# 1、存储器的层次结构图 #

其中L0 L1 L2是CPU独有的，L3以上对于多个CPU来说是共享的。读数据的时候是自上而下，就近原则。

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# 2、缓存行（Cache line） #

## 2.1 什么是缓存行问题 ##

计算机内部缓存的最小单位是行，一般是64字节（512为），那么比如我们定义了两个变量 int a,b;这两个变量一共占8字节，我们先假设他存储在同一行，当CPU执行指令用到这两个变量的时候，如上图，先回读取到自己的私有缓存L2或L1，缓存的单位是一行，同理另一个CPU要用的时候也是这个流程，这时**两个CPU之间就会有一个数据一致性问题，这就是缓存行问题**。

## 2.2 数据一致问题怎么解决（总线锁+一致性协议  混合模式） ##

**总线锁**：比较老的CPU都是通过**总线锁**（Bus）来解决的，但是总线锁有个问题，因为总线锁锁了以后，不光ab两个变量拿不到，所以用到的变量都拿不到了。

**一致性协议** (也叫缓存锁)MESI（Modified Exclusive Shared Invalid） Cache：

大致意思是这样的：MESI是四种状态，如果当前线程修改了某个值（和主存不一样），这个值的状态标记为Modified,那在其他线程里就是Invalid；如果这个值我独享，标记为Exclusive；如果我在读别的线程也在读，标记为Shared.

注意：缓存一致性协议有很多，MESI还是其中一种，因为Intel用的是MESI,一般我们都指这个协议，这个缓存锁只能解决部分问题，比如有些数据分布在多个缓存行，依然要使用总线锁

## 2.3 缓存行对齐解决额外消耗 ##

伪共享：位于同一缓存行的两个毫不相干的变量被修改时相互影响

问题：由于缓存的是一行，那么只要这行的某一个变量修改了，整个行都会被认为修改了，所以就需要把整行数据写回主从，并通知其他线程作废数据，重新读取。而实际上修改的值可能其他线程并没有用到。这种也

解决：通过缓存行对齐的方式，比如long类型的变量一个占8字节，在定义这个变量的前后都定义七个long类型的变量，这样就可以保证，不管在头尾，都是一个独立的缓存行，不会因为别的线程修改其他变量而导致CPU的私有缓存和共享缓存之间的频繁读写。其实就是一个变量占用了一行。 好处是提高了效率，坏处是浪费空间。

# 3、CPU的乱序执行 #

乱序执行的概念：比如CPU一次性从内存中读取了一组指令，比如10个指令，执行第一个指令的时候发现需要用到一个变量，这个变量在自己的高速缓存里没有，这时就要去内存中读取，如果是顺序执行，后面的9个指令就要等着，由于CPU高速缓存的速度比从内存读取的速度快进100倍。就会严重影响效率。 乱序执行就是在第一条在读取变量的过程中，CPU会分析其他指令，如果和指令1没有依赖关系，就会单独执行。 可以理解为CPU内部的并行策略。 这是**读乱序**。**写乱序：**是在L0和L1之间还有一个更加高效的缓存区WriteCombinBuffer(只有四字节)，够四个再写到L1。

## 3.1 硬件上如何保证不乱序 ##

X86的CPU  硬件内存屏障

相关博客：[https://www.jianshu.com/p/c6f190018db1][https_www.jianshu.com_p_c6f190018db1]

sfence:在sfence（store fence）指令前的写操作 应当必须在sfence指令后的写操作完成之前执行（说白了就是如果某两个指令必须有序执行，那么就在两个指令之间加一个sfence屏障，上面的没有执行之前下面的指令不能继续执行）

Ifence:在lfence(load fence)指令前的读操作当必须在ifence指令后的读操作之前完成。

mfence:在mfence(merge fence)指令前的读写操作当必须在mfence指令后的读写操作之前执行。

原子指令：如X86上的lock... 指令是一个Full Barrier，执行时会锁住内存子系统来确保执行顺序，甚至跨多个CPU，software locks 通常使用了内存屏障或原子指令来实现变量可见性和保持程序顺序。

## 3.2 JVM级别如何规范（JSR133） ##

LoadLoad屏障：

对于这样的指令集【Load1; **LoadLoad;** Load2】，由于中间有LoadLoad指令，在Load2及后续读取操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：

对于这样的指令集【Store1; **StoreStore;** Store2】，由于中间有**StoreStore**指令，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。

LoadStore屏障：

对于这样的指令集【Load1; **LoadStore**; Store2】，由于中间有**LoadStore**指令，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

StoreLoad屏障：

对于这样的指令集【Store1; **StoreLoad**; Load2】，由于中间有**StoreLoad**指令，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。

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