JVM系列【4】内存模型

JVM系列笔记目录

• 虚拟机的基础概念
• class文件结构
• class文件加载过程
• jvm内存模型
• JVM常用指令
• GC与调优

硬件层数据一致性

- 存储器层次结构

从L6-L0 空间由大变小，速度由慢到快。

-缓存一致性算法

CPU实现缓存一致性的协议很多，其中intel 使用的MESI(Modified Exclusive Shared Or Invalid)协议。具体可以参考：[MESI--CPU缓存一致性协议](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

-缓存行

缓存读取时的单位，一般是64Byte

使用缓存行的对齐能够提高效率

-伪共享

位于同一缓存行的2个不同的数据，被2个不同的CPU锁定，产生互相影响的伪共享问题。

如何解决？ 使用缓存行的对齐能够提高效率

CPU乱序问题

- 概念

CPU为了提高执行效率，会在一条指令执行的过程中(比如去内存取数据(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。具体参考：[现代cpu的合并写技术对程序的影响](https://www.cnblogs.com/liushaodong/p/4777308.html)

-合并写

CPU上有一个WriteCombinBuffer，仅4个字节，比L1等级还高，某些写操作会合并在一起提交。[现代cpu的合并写技术对程序的影响](https://www.cnblogs.com/liushaodong/p/4777308.html)

-乱序证明

CPU乱序现象有大佬写程序模拟出来了，具体参考： Memory Reordering Caught in the Act

如何保证在特定情况下保证不乱序

硬件级别

X86 CPU级别内存屏障

sfence

store fence 在sfence指令前的写操作必须在sfence指令后的写操作前完成

lfence

load fence 在lfence指令前的读操作必须在lfence指令后的读操作前完成

mfence

mixed fence 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

CPU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

总结： 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

JSR113规范规定了4种内存屏障

LoadLoad屏障

对于语句Load1;LoadLoad;Load2，在Load2及后续读取指令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

对于语句Store1;StoreStore;Store2,在Store2及后续写操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见

LoadStore屏障

对于语句Load1;StoreStore;Store2,在Store2及后续写操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕

StoreLoad屏障

对于语句Store1;StoreStore;Load2,在Load2及后续读取指令要执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见

sychronized/volatile在字节码、JVM、硬件OS层面实现细节

- sychronized

• 字节码层面

  sychronized m() : AccessFlag : ACC_VOLATILE

  sychronized(this){} : monitorenter monitorexit monitorenter

• JVM层面

  C/C++ 调用操作系统的同步操作

• 硬件OS层面

  X86 : lock cmpxchg / xxx

-volatile

• 字节码层面
  
  AccessFlag : ACC_VOLATILE

• JVM层面

  volatile内存区域都加屏障

  StoreStoreBarrier volatile 写操作 StoreLoadBarrier

​ LoadLoadBarrier ​ volatile 读操作 ​ LoadStoreBarrier

• 硬件OS层面

  windows lock 指令实现 或是 MESI实现

面试new Object() 6连问

• 1.解释对象的创建过程

  该问题结合上篇博客：JVM系列【3】Class文件加载过程不难回答出来。

  class loading

  class linking (vertification prepraration resolution)

  class initiazing

  new 申请内存空间

  成员变量赋初始值

  调用构造方法:成员变量赋初始值；执行构造方法语句，super()父类构造。

• 2.对象在内存中的存储布局

  对象在内存中布局分普通对象和数组对象。

  普通对象4部分：对象头markword(8字节)、ClassPointer指针(4或8字节)、实例数据、padding对齐为8的倍数。

  数组对象5部分，和普通对象类似，但中间是数组长度4字节和具体的数组数据。

• 3.对象头具体包括什么

  对象头markword(8字节)具体内容和对象锁状态有关系，其中最高位2位是锁状态中，最低3位用作锁标志位，中间4位是GC年龄，如下。

• 4.对象怎么定位

  通过句柄池和直接指针，具体参考：访问对象两种方式--句柄和直接指针

• 5.对象怎么分配？

  对象的分配其实和垃圾回收GC有关系，后续总结GC详细讲。

• 6.Object o = new Object() 在内存中的占用多少个字节

  16个字节，根据第2点的内存布局可以算出。

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