JVM（三）： JMM

你的名字 2022-12-23 11:21 143阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  JMM
 *   *  硬件层数据一致
     *   *  CPU 怎么保持可见呢?
         *   *  因特尔：MESI 协议
         *  CPU的乱序执行
         *  如何保证有序性/不乱序？
         *   *  X86 因特尔 CPU 内存屏障
     *  Volatile的实现细节
     *   *  字节码
         *  JVM
         *  OS和硬件层面
     *  synchronized实现细节
     *   *  字节码
         *  JVM 层面
         *  OS和硬件层面

# JMM #

## 硬件层数据一致 ##

### CPU 怎么保持可见呢? ###

*  最原始的 **CPU** 直接上总线锁
 *  新版 **CPU** 采取 **MESI Cache** 一致性协议

#### 因特尔：MESI 协议 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTE1NDM5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

--------------------

**Modified** ： **数据被修改**  
**Exclusive** : **独享的一个**  
**Shared** : **我读的时候，别人也在读**  
**Invalid** : 被别的 CPU 更改过，**无效**

--------------------

这也是缓存锁的实现之一，有些**无法被缓存的数据** 或者 **跨越多个缓存行的数据** 依然必须要使用总线锁

现代 **CPU 的数据**一致性实现 = **缓存锁** \+ **总线锁**

### CPU的乱序执行 ###

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（慢100倍）），去同时执行另一条命令，前提是：两条指令没有任何关系

**合并写【4个字节】：写操作也可以进行合并**

比如 6 个字节，如果一次性写入时间 大概是 合并写时间的 2 倍

为什么呢？

【CPU 高速缓存是 4 个字节】

这是因为 我们写入的字节只有 4 位，如果按照一次性写入 6 位的话，需要先写入 4 位，然后进行等待别的 CPU 凑成 4 位进行写入

如果我们直接合并写，一次写 3 个，就不存在等待的问题

**乱序执行的证明：**

两个线程：

a = 0; b = 0;
    x = 0; y = 0;
    一个线程 跑 a = 1, y = b
    一个线程 跑 b = 1, x = a
    看看能不能出现 y = 0 && x = 0

### 如何保证有序性/不乱序？ ###

#### X86 因特尔 CPU 内存屏障 ####

*  sfence : 在 Store fence 指令前的写操作必须在 sfence 指令的写操作前完成
 *  ifence ： 在 load fence 指令前的读操作必须在 Ifence 指令的读操作前完成
 *  mfence ： 在 Mix fence 指令前的读写操作必须在 Mfence 指令的读写操作前完成

原子指令 ： lock，执行时会锁住内存子系统来确保执行顺序

## Volatile的实现细节 ##

### 字节码 ###

*  ACC\_VOLATILE : 加了一个 falg，读到这里会加 **屏障**

### JVM ###

Volatile 内存区的读写，都加屏障

### OS和硬件层面 ###

hadis - HotSpot Dis Assembler  
**windows lock 指令实现**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTE1NDM5_size_16_color_FFFFFF_t_70]

*  **核0读取了一个字节，根据局部性原理，它相邻的字节同样被被读入核0的缓存**
 *  **核3做了上面同样的工作，这样核0与核3的缓存拥有同样的数据**
 *  **核0修改了那个字节，被修改后，那个字节被写回核0的缓存，但是该信息并没有写回主存**
 *  **核3访问该字节，由于核0并未将数据写回主存，数据不同步**
 *  于是，在上面的情况下，核3发现自己的缓存中数据已无效，核0将立即把自己的数据写回主存，然后核3重新读取该数据。CPU制造商制定了一个规则：当一个**CPU修改缓存中的字节**时，服务器中**其他CPU**会被通知，它们的**缓存将视为无效**  
      
      
    处理器使用三个相互依赖的机制来实现加锁的原子操作：
    
    1、**保证原子操作**  
    2、**总线加锁**，使用LOCK\#信号和LOCK指令前缀  
    3、**高速缓存相干性协议**，确保对**高速缓存**中的数据结构**执行原子操作**（高速缓存锁）。这种机制存在于Pentium4、Intel Xeon和P6系列处理器中

## synchronized实现细节 ##

### 字节码 ###

ACC\_SYNCHRONIZED

**monitorenter** 和 **monitorexit**

### JVM 层面 ###

c 和 C++ 调用了操作系统提供的同步机制

### OS和硬件层面 ###

X86 : lock cmpxchg xxxx

详细细节见 [JVM（四）：对象的内存布局][JVM]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTE1NDM5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/0455c758ebe74dc2bcce1e057cb6070e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTE1NDM5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201128223920836.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTE1NDM5,size_16,color_FFFFFF,t_70
[JVM]: https://editor.csdn.net/md?articleId=110295399