java程序员需要知道的底层知识（一）

首先给自己一个介绍，本人是一个蠢笨蠢笨的女程序员，由于有一天突然觉悟了，想在学习的过程中写一些笔记，以前一直不敢开始这个事情，因为我害怕写错了，误导了别人，现在还是害怕，如果真的误导了同行，你们也轻点喷我 哈哈哈
接下来进入正题，今天来记录一下我自己学到的东西，Java相关的硬件知识，说到这个我们先谈谈计算机的最重要的组成部分，跟我们写程序联系比较紧密的部分：
先来看看计算机的组成，如下图:

一、cpu(计算机的重要组成部分)

cpu是计算机的核心组成部分，功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，cpu中有一个重要的部件，就是时钟发生器，他就像人的心脏，推动着cpu进行一步一步的计算，比如我计算3+2需要多少步骤，通过时钟发生器不断的通电断电给cpu信号，推动cpu进行计算（比较粗略的理解）

PC:Program Counter 程序计数器(每个线程私有) 记录当前指令的地址

Registers: 寄存器 暂时存储cpu计算需要用到的数据

ALU：Arithmetic & Login Unit 逻辑运算单元

ALU逻辑运算单元，当一个线程获得执行时间片开始执行，需要进行运算的时候，那么ALU从寄存器中取出某个线程的数据来进行运算，

此处有一个知识点，就是现在说的超线程，比如两核四线程、四核八线程，是怎么实现的，比如原来的单核单线程，就是一个cpu的一个核里面只有一组PC(程序计数器)和Registers(寄存器)，当一个线程获得执行时间片时，需要将前一个线程的数据先保存起来，再将自己的数据放入PC和Registers，而超线程的实现，就是cpu的一个核里面有两组PC和Registers，当其中的一个线程获得执行的时间片之后，ALU可以直接去该线程对应的PC和Registers取得数据，节省线程切换的消耗，达到提升性能的目的，如下图：

CU:Control Unit 控制单元（本人还没理解透彻）

MMU：Memory Management Unit 内存管理单元（本人还没理解透彻）

cache:缓存

cpu和内存的速度比大概是100：1，缓存就是为了解决cpu和内存的速度差异，缓存分为L1、L2、L3,cpu的每一个核都拥有独立的L1、L2这两级缓存，L3是所有核共享的，如下图：

下面我们再介绍缓存行的概念，缓存行是cpu缓存系统中的基本单位，当cpu从内存当中读取数据的时候，并不是你需要某个字节就只读取某个字节，而是将你需要的字节所在的内存块读取到缓存行，因为根据一定的预测，可能需要的数据也不只是这一个字节，也许周围的数据你也是需要的，这样的读取也可以提高效率

到这里，再记录一个与缓存行有关的知识，MESI协议，缓存一致性协议是指一个缓存行，在不同的cpu中被修改之后，要保证数据一致，每个缓存行都有额外的两个位来存储缓存行的状态（modified、exclusive、shared、invalid）,当处于同一个缓存行的数据，在A（cpu的内核）处被修改，那么B处的缓存行将变成失效状态，当B需要修改同一个缓存行的数据时，需要重新从内存中读取数据再进行修改，缓存一致性协议有MSI,MESI(Intel)、synapse、Firely、Dragon等，不同品牌的cpu使用不同的缓存一致性协议

此处有一个问题叫伪共享，我们以Intel cpu举例，当cpu的两个核分别修改了同一个缓存行中的独立变量时，实际上两个变量是互不影响的，但是由于他们在一个缓存行中，当A修改了a,B中的缓存行就会变成失效状态，这个时候如果B修改b，就必须要先提交A中的缓存行，然后B再去内存当中读取这个缓存行进行修改，此操作应该是一个并行操作，但是由于缓存一致性，却变成了串行，反而降低了效率

解决办法是,缓存行对齐：对于一些特别敏感的数字，会存在线程高竞争的访问，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

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

二、内存(计算机的重要组成部分)（下次研究哈哈哈哈）

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