如何浅析CPU高速缓存和JVM内存模型

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在java学习过程中，JVM的内存模型是非常重要的，今天，我们通过学习计算机的内存模型来帮助我们理解JVM内存。

一、计算机存储介质：

图一：计算机的简化存储介质

(1)、计算机中几种存储介质分类：

        a.从下往上，硬盘、内存、缓存、寄存器;
        b.高速缓存的访问读取速度大概为：1~X ns,
        c.主存的读取速度：100ns
        d.硬盘的读取速度：Xms

        e.一般情况下高速缓存的访问速度是主存的 10~100 倍，而主存的访问速度则是硬盘的 1～10W 倍;

(2)、机械硬的读取访问时间分析：
        a.寻道时间： 是指将读写磁头移动至正确的磁道上所需要的时间。平均寻道时间大致为 3－15ms。
        b.旋转延迟时间： 盘片旋转将请求数据所在扇区移至读写磁头下方所需要的时间。旋转延迟取决于磁盘转速，通常使用磁盘旋转一周所需时间的 1/2 表示。比如，7200 rpm 的磁盘平均旋转延迟大约为 60 * 1000 / 7200 / 2 = 4.17ms，而转速为 15000 rpm 的磁盘其平均旋转延迟为 2ms。
        c.数据传输时间： 完成传输所请求的数据所需要的时间，它取决于数据传输率，其值等于数据大小除以数据传输率。目前 IDE/ATA 能达到 133MB/s，SATA II 可达到 300MB/s 的接口数据传输率。数据传输时间通常远小于前两部分消耗时间。简单计算时可忽略。

(3)、扩展了解：顺序读取和随机读取
        机械硬盘的磁头移动至正确的磁道上需要时间，随机读写时，磁头不停的移动，时间都花在了磁头寻道上，导致的就是性能不高。所以，对于机械硬盘来说，连续读写性很好，但随机读写性能很差。

(4)、局部性原理与磁盘预读
        由于存储介质的特性，硬盘本身存取就比主存慢很多，再加上机械运动耗费，硬盘的存取速度往往是主存的几百分分之一，因此为了提高效率，要尽量减少磁盘 I/O。由于磁盘顺序读取的效率很高（不需要寻道时间，只需很少的旋转时间），因此对于具有局部性的程序来说，预读可以提高 I/O 效率。磁盘往往也不是严格按需读取，而是每次都会预读，即使只需要一个字节，磁盘也会从这个位置开始，顺序向后读取一定长度的数据放入内存。这样做的理论依据是计算机科学中著名的局部性原理：当一个数据被用到时，其附近的数据也通常会马上被使用。

备注：扩展知识其实是和高性能MySQL的读写效率有关，大家可以扩展研究一下。 

二、CPU高速缓存

(1)、关于高速缓存的几个问题

    a.什么是CPU高速缓存：CPU与内存之间的临时存储器
    b.为什么需要CPU高速缓存：
        1、它的容量比内存小的多但是交换速度却比内存要快得多。

        2、高速缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快很多，这样会使CPU花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。在缓存中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可先缓存中调用，从而加快读取速度。
    c.高速缓存模型
         cpu缓存行->一级缓存->二级缓存->三级缓存->主存;

    d.多线程下的缓存一致性问题：

缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。
（2）、多CPU缓存与多线程缓存读写
      1.每个cpu有自己单独的高速缓存区
      2.访问跨cpu缓存数据很慢,当跨cup1访问另一个cpu2数据时,会把cpu2中的数据copy到cpu2中保留一个副本.
      3.多个cpu缓存内可能包含相同的数据缓存行
      4.cpu如果修改缓存行数据,将发出一个RFO(Request For Owner)请求, 获取这行数据的权限,对次行数据进行标识,其它cpu线程无法对此行数据进行操作
      5.如果cpu数据变量副本引用的值发生变化,计算机会强制刷新引用此数据的各个cpu对应的缓存行,保证缓存行数据统一
      6.缓存行数据更新不是以包含变量为最小单位,是以缓存行为最小单位。若缓存行包含了n个数据，其中一个的值被改变,那么整个缓存的其它n-1个值得都要重新加载

  图二：多CPU缓存读写

（3）、多CPU读取过程：
      1.缓存行变量数据 x,y,而且在其它cup缓存保存副本（cpu1,cpu2...）
      2.cpu1修改x,cpu2修改y
      3.cpu1首先获得执行权，修改x值成功
      4.x值刷新会主内存
      5.cpu2 x,y对应缓存行置为无效
      6.cpu2..... 缓存行从内存获取最新x,y值
      7.cpu2获得执行权,修改y成功
      8.cpu1 缓存行重复4-6

三、了解JVM的内存模型：

图三：JVM内存模型

        根据计算机的内存模型，可以简单的想象一下JVM的内存模型设计，是不是同样需要一个主存，一个高速缓存，和一个CPU处理器。

JVM运行时的数据区的内存模型
<1>.线程数据共享区：方法区和堆
<2>.线程数据隔离区：每个线程都有一个独立的内存：栈，程序计数器（PC寄存器），本地方法栈;
(a).堆：存放的是运行时new出来的对象，数组，以及实例变量。堆中的内存分配还可以更加细化，由于jvm的垃圾回收分代收集算法，又将堆内存分为年轻代，老年代和永久代内存区；
       年轻代：分为Eden和两个Serivious 区：可以通过参数配置来分配新生代的大小-Xmn
       老年代：是多次YoungGC 还存活的对象，会被移动到老年代;
       永久代：一些大对象，无法被GC的，会存放到永久代;
      所以堆对应上的就相当于计算机的主存，所有的对象信息都会存储到这里。
(b).方法区：存放的是java类的元信息，数据结构，类的信息，和初始化的静态变量。方法区可以看作一个计算机三级缓存，程序的执行都会依赖获取类信息
(c).本地方法栈：本地方法的调用信息，相当于一个CUP的三级缓存
(d).栈内存：每个线程运行都会有独立的栈内存空间，主要存储的是程序运行时的对象引用和一些基本类型的变量信息，还有一个地址信息。所以栈内存相当于高速缓存中的一级缓存;

    1、一个线程会有单独的栈帧，线程之间互相不干扰
    2、栈内存中存放的都是基本类型和对象的句柄。
    3、存取速度比堆内存块，仅次于寄存器
    4、栈溢出：递归调用，内存不够新建栈帧，StackOverflowError

    5.栈内存溢出：OutOfMemoryError，不够新建线程

(e).程序计数器：一些JVM的操作指令信息。相当于CPU处理器

不对的地方，烦请指正

图四、JVM内存模型

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