Java程序员需要掌握的底层知识

程序员文章站 2022-03-07 17:19:06

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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
过程：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

存储器层次结构&局部性原理

参照一位大佬的分享：
https://www.jianshu.com/p/5d7c8d7092af

CPU读取不同位置数据的速度对比

从CPU到：

存储单元	时间
Registers	< 1ns
L1 cache	约 1ns
L2 cache	约 3ns
L3cache	约 15ns
main memory	约 80ns

超线程

超线程.png

一个ALU对应多个PC| Registers (如单核2线程)，实现在单处理器上模拟双处理器的效能。

Cache缓存（CPU）

从任何存储单元读取数据都是按块读取。
利用程序局部性原理(当用到某个数字时程序也会马上用到相邻的那些数字)，可以提高效率。
充分发挥总线CPU针脚等一次性读取更多数据的能力。

伪共享&缓存行对齐

image.png

如上图，xy位于同一缓存行cache line，此时若读取x或y会把整个cache line 即xy同时读取。
计算单元ALU找数据时按照就近原则查找L1，没有再找L2，这样依次找下去。回读数据时会把cache line这一块数据读取。
这会导致核1读x时同时读了y，核2读y时也读了x。这时若核1修改了x，则核2的x也必须保持一致，这通过MESI缓存一致性协议(缓存锁)保证。缓存同步以cache line为单位进行。
缓存失效
如果一个核正在使用的数据所在的缓存行被其他核修改，那么这个cache line会失效，需要重新读取缓存。
False Sharing(伪共享)
如果多个核的线程在操作同一个cache line中的不同数据，那么就会出现频繁的缓存失效，即使在代码层面看这两个线程操作的数据之间完全没有关系。
这种不合理的资源竞争情况叫False Sharing(伪共享)，会严重影响机器的并发执行效率。
如果一个cache line装不下某个数据，需要通过锁总线的方法解决。核1访问内存时锁住总线，禁止其它访问，当核1访问完后其它才能访问。
锁总线 比 MESI缓存一致性协议(缓存锁)效率低。

缓存行大小

不同品牌CPU缓存行大小可能不同
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：intel CPU 取的是64字节。

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，可以使用缓存行对齐的编程方式

JDK7中，很多采用long padding提高效率：

public long p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7; // cache line padding
private volatile long cursor = INITIAL_CURSOR_VALUE;
public long p8,p9,p10,p11,p12,p13,p14; // cache line padding

long类型是8字节(64位)，一个cache line 64字节，这样不管怎么读，变量cursor都会只在一个缓存行中。

JDK8，加入了@Contended注解，需要加上：JVM -XX:-RestrictContended

@Contended
volatile long x;

intel MESI Cache 缓存一致性协议：

缓存一致性协议.png

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

CPU的乱序执行

CPU在进行读等待的同时执行指令，是CPU乱序执行的根源，目的是提高效率。
如图，如果指令1与指令2无依赖关系，在指令1读取内存数据的等待期内指令2会优先执行。

指令乱序执行.png

乱序执行可能会产生问题

DCL单例(Double Check Lock)为什么要加volatile，到底需不需要volatile？
参考：volatile关键字禁止指令重排序
如何禁止重排序？
-- CPU层面
内存屏障。对某部分内存做操作时前后添加的屏障，屏障前后的操作不可以乱序执行。intel CPU中提供 lfence mfence sfence 原语(汇编指令)作为屏障。也可以使用总线锁来解决(非CPU层面)。

内存屏障 .png

有序性保障 (硬件层面)

intel lock汇编指令

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(锁总线)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。

x86 intel CPU内存屏障

sfence：在sfence指令前的写操作必须在sfence指令后的写操作前完成。
lfence：在lfelnce指令前的读操作必须在lfence指令后的读操作前完成。m
mfence：在mfence指令前的读写操作必须在mfence指令后的读写操作前完成。

JSR内存屏障（JVM层面，是一种规范）

HotSpot虚拟机在实现屏障时使用的是Lock指令

LoadLoad屏障：屏障上下两条Load指令不可互换

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：屏障上下两条Store指令不可互换

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：屏障上下Load Store指令不可互换

对于这样的语句Load1; StoreStore; 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：屏障上下Store Load指令不可互换

对于这样的语句Store1; StoreStore; Load2，
在Load2及后续读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。

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，看上去像是顺序执行。

volatile 的实现细节

volatile 底层是使用内存屏障实现的，在写操作和读操作前后都加了屏障。(JVM要求这样实现，是一种规范，底层用Lock指令实现)

JVM层面上：

StoreStoreBarrier
volatile 写操作（Store）
StoreLoadBarrier

LoadLoadBarrier
volatile 读操作（Load）
LoadStoreBarrier

合并写技术

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

NUMA

Non Uniform Memory Access
不同的CPU和不同的内存分成一组放在不同的地方再互相连接起来。

ZGC - NUMA aware

分配内存会优先分配该线程所在CPU的最近内存

操作系统(OS)基础

kernel(内核)

kernel.png

内核分类

微内核 - 弹性部署 5G IoT

宏内核 - PC phone

外核 - 科研实验中为应用定制操作系统 (多租户 request-based GC JVM)

用户态与内核态

cpu分不同的指令级别

linux内核跑在ring 0级，用户程序跑在ring 3，对于系统的关键访问，需要经过kernel的同意，保证系统健壮性

内核执行的操作 --- > 200多个系统调用 sendfile read write pthread fork

JVM --- > 站在OS老大的角度，就是个普通程序，用户态

一个程序的执行过程，要么处于用户态，要么处于内核态。

进程线程纤程中断

程序进程线程纤程.png

进程：Linux中也称为task，是系统分配资源的基本单位。
资源：独立的地址空间，内核数据结构(进程描述符PCB...)，全局变量，数据段...
进程描述符：内核中维护进程时用的结构是PCB(Process Control Block)，每一个进程都跟着一个PCB。Linux管理进程时，把相应的进程信息记录到PCB中，PCB大小不固定，每个进程的不一样
线程：线程在Linux中的实现：
就是一个普通进程，只不过和其它进程共享资源（内存空间全局数据等），其它系统如Windows都有各自所谓的LWP的实现 Light Weight Process。
高层面理解：一个进程中不同的执行路线。
内核线程：内核启动之后经常需要做一些后台操作（如计时，定期清理某些垃圾），这些由Kernel Thread来完成，只在内核空间运行。
进程（线程）创建和启动（Linux）：系统函数 fork() 创建进程（底层调用的是clone() ），exec() 运行进程
从A中fork B的话，A称之为B的父进程

面试高频：进程和线程有什么区别？

答：进程就是一个程序运行起来的状态，线程是一个进程中的不同的执行路径。专业：进程是OS分配资源的基本单位，线程是执行调度的基本单位。分配资源最重要的是：独立的内存空间，线程调度执行（线程共享进程的内存空间，没有自己独立的内存空间）

纤程：

用户态的线程，线程中的线程，切换和调度不需要经过OS，JVM自己管理自己切换。

优势：

占有资源很少 OS : 线程 1M， Fiber 4K
切换比较简单
启动很多个10W+

目前2020 3 22支持内置纤程的语言：Kotlin Scala Go Python(lib)... Java? （open jdk : loom）。
Java对于纤程的支持还没有内置，需要利用Quaser库（不成熟）
ps：Go语言比Java好的地方主要就是Go内置纤程，更适合并发编程。

    <dependencies>
        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/co.paralleluniverse/quasar-core -->
        <dependency>
            <groupId>co.paralleluniverse</groupId>
            <artifactId>quasar-core</artifactId>
            <version>0.8.0</version>
        </dependency>
    </dependencies>

纤程的应用场景

纤程 vs 线程池：很短的计算任务，不需要和内核打交道，并发量高！

僵尸进程&孤儿进程（Linux）

什么是僵尸进程

ps-ef | grep defult
父进程产生子进程后，会维护子进程的一个PCB结构，子进程退出，由父进程释放，如果父进程没有释放，那么子进程成为一个僵尸进程。
僵尸进程只占PCB，对系统影响不大。

什么是孤儿进程

子进程结束之前，父进程已经退出。孤儿进程会成为init进程的孩子，由init进程（1号进程）维护。

进程（任务）调度

进程调度基本概念

进程类型：
- IO密集型大部分时间用于等待IO
- CPU密集型大部分时间用于计算
进程优先级：
- 实时进程 > 普通进程（0 - 99）
- 普通进程 nice 值（-20 - 19）
时间分配：
- Linux采用按优先级的CPU时间比
- 其它系统多采用按优先级的时间片
eg. 两个app同时运行
- 一个文本处理程序
- 一个影视后期处理程序

内核进程调度器决定：该哪个进程运行，何时开始，运行多长时间。
Linux内核中每个进程都有专属的调度方案并且可以自定义。

进程调度中的常见算法

非抢占式（cooperative multitasking）
除非进程主动让出CPU（yielding），否则将一直运行。
抢占式（preemptive multitasking）
由进程调度器强制开始或暂停（抢占）某一进程的执行。现在多用该种方式。

Linux内核的进程调度

linux2.5内核经典Unix O(1) 调度策略

每个进程所分配的时间片都一样（绝对公平），偏向服务器。但对UI交互不友好，需要显示时如果没有被分配到时间片会产生较长延迟。

linux2.6.23内核采用CFS完全公平调度算法Completely Fair Scheduler

按优先级分配时间片的比例，记录每个进程的执行时间，如果有一个进程执行时间不到他应该分配的比例，优先执行

Linux默认调度策略：
对于实时进程：使用 SCHED_FIFO（优先级高先执行）和 SCHED_RR（轮巡）两种。
对于普通进程：使用CFS完全公平调度算法。

其中等级最高的是FIFO，这种进程除非自己让出CPU否则Linux会一直执行它，除非更高等级的 FIFO 和 RR 抢占它。
RR只是这种线程中是同级别FIFO的平均分配。
只有实时进程主动让出，或者执行完毕后，普通进程才有机会运行。

总结：
实时（急诊）：优先级分高低 - FIFO (First In First Out)，优先级一样 - RR（Round Robin）
普通：CFS

中断

硬件跟操作系统内核打交道的一种机制

软件向操作系统调用函数软中断（80中断） == 系统调用

系统调用：int 0x80 或者 sysenter原语
通过ax寄存器填入调用号

参数通过bx cx dx si di传入内核
返回值通过ax返回

java读网络 – jvm read() – c库read() --- >
内核空间 ---> system_call() （系统调用处理程序）
---> sys_read()

内存管理

内存管理的发展历程

DOS时代 - 同一时间只能有一个进程在运行（也有一些特殊算法可以支持多进程）

windows9x - 多个进程装入内存 1：内存不够用 2：互相打扰

为了解决这两个问题，诞生了现在的内存管理系统：虚拟地址分页装入软硬件结合寻址。

1. 分页（解决内存不够用）

内存中分成固定大小的页框（4K），把程序（硬盘上）分成4K大小的块，用到哪一块，加载那一块，加载的过程中，如果内存已经满了，会把最不常用的一块放到swap分区，把最新的一块加载进来，这个就是著名的LRU算法。所有涉及到缓存的基本都有 LRU 或 LFU 算法。

LRU算法 LeetCode146题，头条，阿里面试题
LRU（Least Recently Used） "最不常用"算法
哈希表（保证查找操作O(1)） + 链表（保证排序操作和新增操作 O(1)））但是单链表在改变指针时仍需遍历，复杂度高 O(N)。
哈希表+双向链表（保证左边指针指向右边块）最终结构

LRU.png

2. 虚拟内存（解决相互打扰问题）

为什么使用虚拟内存？

隔离应用程序
- 每个程序都认为自己有连续可用的内存
- 突破物理内存限制
- 应用程序不需要考虑物理内存是否够用，是否能够分配等底层问题
安全
- 保护物理内存，不被恶意程序访问

DOS Win31 ... 互相干掉
为了保证互不影响 - 让进程工作在虚拟空间，程序中用到的空间地址不再是直接的物理地址，而是虚拟的地址，这样，A进程永远不可能访问到B进程的空间
虚拟空间多大呢？寻址空间 - 64位系统 2 ^ 64，比物理空间大很多，单位是byte
站在虚拟的角度，进程是独享整个系统 + CPU
内存映射：偏移量 + 段的基地址 = 线性地址（虚拟空间）
线性地址通过 OS + MMU（硬件 Memory Management Unit）

内存地址映射.png

3. 缺页中断 | 缺页异常（不太重要）

需要用到页面内存中没有，产生缺页异常（中断），由内核处理并加载

ZGC

算法叫做：Colored Pointer

GC信息记录在指针上，不是记录在头部， immediate memory use

42位指针寻址空间4T JDK13 -> 16T 目前为止最大16T 2^44

CPU如何区分一个立即数和一条指令

总线内部分为：数据总线地址总线控制总线

地址总线目前：48位

颜色指针本质上包含了地址映射的概念

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