JVM3-JMM

JMM

硬件层的并发优化基础知识

硬件层数据一致性

读取缓存以cache line为基本单位，目前64bytes

位于同一缓存行的两个不同数据，被两个不同CPU锁定，产生互相影响的伪共享问题

伪共享问题：JUC/c_028_FalseSharing

使用缓存行的对齐能够提高效率

package com.mashibing.juc.c_028_FalseSharing;

import java.util.Random;

public class T01_CacheLinePadding {
    private static class T {
        public volatile long x = 0L;
    }

    public static T[] arr = new T[2];

    static {
        arr[0] = new T();
        arr[1] = new T();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            for (long i = 0; i < 1000_0000L; i++) {
                arr[0].x = i;
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            for (long i = 0; i < 1000_0000L; i++) {
                arr[1].x = i;
            }
        });

        final long start = System.nanoTime();
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println((System.nanoTime() - start)/100_0000);
    }
}

老的CPU:总线锁：效率偏低

新的CPU: 各种各样的一致性协议, intel 用MESI

https://www.cnblogs.com/z00377750/p/9180644.html

现代CPU的数据一致性实现 = 缓存锁(MESI ...) + 总线锁

乱序问题

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）），去同时执行另一条指令，前提是，两条指令没有依赖关系

https://www.cnblogs.com/liushaodong/p/4777308.html

写操作也可以进行合并 https://www.cnblogs.com/liushaodong/p/4777308.html

只有4个字节，一次填6个的话，要等下一次把剩下的2个填满。如果一次填4个，就正好填满。

package com.mashibing.juc.c_029_WriteCombining;

public final class WriteCombining {

    private static final int ITERATIONS = Integer.MAX_VALUE;
    private static final int ITEMS = 1 << 24;
    private static final int MASK = ITEMS - 1;

    private static final byte[] arrayA = new byte[ITEMS];
    private static final byte[] arrayB = new byte[ITEMS];
    private static final byte[] arrayC = new byte[ITEMS];
    private static final byte[] arrayD = new byte[ITEMS];
    private static final byte[] arrayE = new byte[ITEMS];
    private static final byte[] arrayF = new byte[ITEMS];

    public static void main(final String[] args) {

        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            System.out.println(i + " SingleLoop duration (ns) = " + runCaseOne());
            System.out.println(i + " SplitLoop  duration (ns) = " + runCaseTwo());
        }
    }

    public static long runCaseOne() {
        long start = System.nanoTime();
        int i = ITERATIONS;

        while (--i != 0) {
            int slot = i & MASK;
            byte b = (byte) i;  // 1Byte
            arrayA[slot] = b;  // 1Byte
            arrayB[slot] = b;  // 1Byte
            arrayC[slot] = b;  // 1Byte
            arrayD[slot] = b;  // 1Byte
            arrayE[slot] = b;  // 1Byte
            arrayF[slot] = b;  // 1Byte
        }
        return System.nanoTime() - start;
    }

    public static long runCaseTwo() {  // 一次正好写满一个四字节的 Buffer，比上面的循环效率更高
        long start = System.nanoTime();
        int i = ITERATIONS;
        while (--i != 0) {
            int slot = i & MASK;
            byte b = (byte) i; // 1Byte
            arrayA[slot] = b;  // 1Byte
            arrayB[slot] = b;  // 1Byte
            arrayC[slot] = b;  // 1Byte
        }
        i = ITERATIONS;
        while (--i != 0) {
            int slot = i & MASK;
            byte b = (byte) i;
            arrayD[slot] = b;
            arrayE[slot] = b;
            arrayF[slot] = b;
        }
        return System.nanoTime() - start;
    }
}

乱序执行的证明：https://preshing.com/20120515/memory-reordering-caught-in-the-act/

package com.mashibing.jvm.c3_jmm;

public class T04_Disorder {
    private static int x = 0, y = 0;
    private static int a = 0, b =0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        for(;;) {
            i++;
            x = 0; y = 0;
            a = 0; b = 0;
            Thread one = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    //由于线程one先启动，下面这句话让它等一等线程two. 读着可根据自己电脑的实际性能适当调整等待时间.
                    //shortWait(100000);
                    a = 1;
                    x = b;
                }
            });

            Thread other = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    b = 1;
                    y = a;
                }
            });
            one.start();other.start();
            one.join();other.join();
            String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + "）";
            if(x == 0 && y == 0) {
                System.err.println(result);
                break;
            } else {
                //System.out.println(result);
            }
        }
    }


    public static void shortWait(long interval){
        long start = System.nanoTime();
        long end;
        do{
            end = System.nanoTime();
        }while(start + interval >= end);
    }
}

如何保证特定情况下不乱序

硬件内存屏障 X86

sfence: store| 在sfence指令前的写操作当必须在sfence指令后的写操作前完成。
lfence：load | 在lfence指令前的读操作当必须在lfence指令后的读操作前完成。
mfence：modify/mix | 在mfence指令前的读写操作当必须在mfence指令后的读写操作前完成。

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

JVM级别如何规范（JSR133）

LoadLoad屏障：
对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，

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：

对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，

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：

对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，

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：
对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，

​ 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。

volatile的实现细节

1. 字节码层面
   ACC_VOLATILE

   ACC:class格式的access_flags

2. JVM层面
   volatile内存区的读写 都加屏障

   StoreStoreBarrier

   volatile 写操作

   StoreLoadBarrier

   LoadLoadBarrier

   volatile 读操作

   LoadStoreBarrier

3. OS和硬件层面
   https://blog.csdn.net/qq_26222859/article/details/52235930
   hsdis - HotSpot Dis Assembler
   windows lock 指令实现 | MESI实现

synchronized实现细节

1. 字节码层面
   ACC_SYNCHRONIZED
   monitorenter monitorexit
2. JVM层面
   C C++ 调用了操作系统提供的同步机制
3. OS和硬件层面
   X86 : lock cmpxchg / xxx
   https😕/blog.csdn.net/21aspnet/article/details/88571740