Java程序员应该掌握的底层知识
硬件基础知识
CPU的制作过程
Intel cpu的制作过程
CPU是如何制作的（文字描述）
CPU的原理
计算机需要解决的最根本问题：如何代表数字
晶体管是如何工作的：
晶体管的工作原理：
汇编语言（机器语言）的执行过程
汇编语言的本质：机器语言的助记符 其实它就是机器语言
计算机通电 -> CPU读取内存中程序（电信号输入）->时钟发生器不断震荡通断电 ->推动CPU内部一步一步执行（执行多少步取决于指令需要的时钟周期）
->计算完成->写回（电信号）->写给显卡输出（sout，或者图形）
CPU的基本组成
PC -> Program Counter 程序计数器 （记录当前指令地址）
Registers -> 暂时存储CPU计算需要用到的数据
ALU -> Arithmetic & Logic Unit 运算单元
CU -> Control Unit 控制单元
MMU -> Memory Management Unit 内存管理单元
cache
缓存
缓存行：
缓存行越大，局部性空间效率越高，但读取时间慢
缓存行越小，局部性空间效率越低，但读取时间快
取一个折中值，目前多用：
64字节
public class CacheLinePadding { //执行时间在4s左右
public volatile static long[] arr=new long[2];
public static void main(String[] args) throws Exception{
Thread t1=new Thread(()->{
for (long i=0;i< 10_0000_0000L;i++){
arr[0]=i;
}
});
Thread t2=new Thread(()->{
for (long i=0;i< 10_0000_0000L;i++){
arr[1]=i;
}
});
t1.start();
t2.start();
final long start = System.nanoTime();
t1.join();
t2.join();
final long end = System.nanoTime();
System.out.println((end-start)/1000000);
}
}
public class T02_CacheLinePadding { //执行在2s左右
public volatile static long[] arr=new long[16];
public static void main(String[] args) throws Exception{
Thread t1=new Thread(()->{
for (long i=0;i< 10_0000_0000L;i++){
arr[0]=i;
}
});
Thread t2=new Thread(()->{
for (long i=0;i< 10_0000_0000L;i++){
arr[8]=i;
}
});
t1.start();
t2.start();
final long start = System.nanoTime();
t1.join();
t2.join();
final long end = System.nanoTime();
System.out.println((end-start)/1000000);
}
}
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，可以使用缓存航对齐的编程方式
JDK7中，很多采用long padding提高效率
eg:
JDK8，加入了@Contended注解（实验）需要加上：JVM -XX:-RestrictContended
public class T03_CacheLinePading {
@Contended
volatile long x;
@Contended
volatile long y;
public static void main(String[] args) throws Exception{ //0.6s
T03_CacheLinePading t3=new T03_CacheLinePading();
Thread t1=new Thread(()->{
for (long i=0;i< 1_0000_0000L;i++){
t3.x=i;
}
});
Thread t2=new Thread(()->{
for (long i=0;i< 1_0000_0000L;i++){
t3.y=i;
}
});
t1.start();
t2.start();
final long start = System.nanoTime();
t1.join();
t2.join();
final long end = System.nanoTime();
System.out.println((end-start)/1000000);
}
}
乱序执行
/**
* CPU的乱序执行
*/
public class DisorderTest {
private static int x=0,y=0;
private static int a=0,b=0;
//第44448次 (0,0）
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);
}
}
禁止乱序
CPU层面：Intel -> 原语(mfence lfence sfence) 或者锁总线
JVM层级：8个hanppens-before原则 4个内存屏障 （LL LS SL SS）
as-if-serial : 不管硬件什么顺序，单线程执行的结果不变，看上去像是serial
合并写
Write Combining Buffer
一般是4个字节
由于ALU速度太快，所以在写入L1的同时，写入一个WC Buffer，满了之后，再直接更新到L2
