CPU运行时优化(高速缓存指令重排内存屏障等)

Posted 2021-07-21 oahaijgnahz

CPU运行时优化(高速缓存、指令重排等)

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Java、大数据开发学习要点（持续更新中…）

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文章目录

• CPU运行时优化(高速缓存、指令重排等)
• 一、CPU高速缓存与缓存一致性协议
• • 1.1 高速缓存
  • 1.2 缓存一致性协议(MESI)
• 二、CPU运行时指令重排
• 三、内存屏障

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一、CPU高速缓存与缓存一致性协议

1.1 高速缓存

  CPU高速缓存主要是用于优化CPU程序执行性能的手段，高速缓存在硬件层面上尽可能地降低处理器访问主内存的时间开销(引申计算机存储结构—磁盘、内存、高速缓存、寄存器)。

  L1和L2缓存均是每个CPU独占的缓存区域，往往缓存空间都不大，通常用于数据缓存和指令缓存。L3缓存进一步降低访问内存延迟，同时提升大数据量计算时的处理器性能，L3缓存是多处理器共用的，由此也引出了缓存一致性协议。

1.2 缓存一致性协议(MESI)

  MESI协议用于多处理器使用同一高速缓存时，单个CPU对缓存数据的改动需要通知给其他CPU，也就是说CPU要控制自己的读写操作，还要监听其他CPU发出的通知。MESI协议基于此给每条缓存定义了下面四个状态：

• 修改态：此cache行已被修改过(脏行)，内容已不同于主内存，为此cache专有。
• 专有态：此cache行内容与主内存中相同，但不出现于其他cache中。
• 共享态：此cache行内容与主内存中相同，同时出现在多行cache中。
• 无效态：此cache行内容无效(空行)。

二、CPU运行时指令重排

三、内存屏障

  由高速缓存和指令重排引发的两个问题：

  对应的解决方案：

• 写内存屏障：在指令后插入写内存屏障指令，让写入缓存中的最新数据更新到主内存中，让其他线程可见。这种强制性的写入主内存操作，CPU就不会因为性能考虑而在此期间进行指令重排。
• 读内存屏障：在指令前插入读内存屏障指令，让高速缓存中的数据失效，强制重新从主内存中加载数据。这种强制性读主内存的操作，使得CPU缓存与主存中的数据保持一致，避免了缓存导致的一致性问题。

  实际，读写屏障就是强制让缓存数据和主内存进行更新，来保证之前执行结果的确定性，如此便形成了指令重排序不可逾越的内存屏障。Java中的volatile就是通过读写屏障实现可见性和禁止对应变量指令重排的。

ps:读写内存屏障指令是CPU并发层面上的概念，而JVM在维护卡表(HotSpot用于解决跨代引用问题的记忆集的数组实现)，其中卡页的是否变脏是虚拟机中定义的写屏障实现的，但并非上述CPU读写屏障的概念。