其實寫Java的人貌似和CPU沒啥關系，最多最多和我們在前面提及到的如何將CPU跑滿、如何設置線程數有點關系，但是那個算法只是一個參考，很多場景不同需要采取實際的手段來解決才可以；而且將CPU跑滿后我們還會考慮如何讓CPU不是那么滿，呵呵，人類，就是這么XX，呵呵，好了，本文要說的是其他的一些東西，也許你在java的寫代碼時幾乎不用關注CPU，因為滿足業務才是第一重要的事情，如果你要做到框架級別，為框架提供很多共享數據緩存之類的東西，中間必然存在很多數據的征用問題，當然java提供了很多concurrent包的類，你可以用它，但是它內部如何做的，你要明白細節才能用得比較好，否則還不如不用，本文可能不是闡述這些內容作為重點，因為如標題黨：我們要說CPU，呵呵。

還是那句話，貌似java和CPU沒有多少關系，我們現在來聊聊有啥關系；

1、當遇到共享元素，我們通常第一想法是通過volatile來保證一致性讀的操作，也就是絕對的可見性，所謂可見性，就是每次要使用該數據的時候，CPU不會使用任何cache的內容都會從內存中去抓取一次數據，并且這個過程對多CPU仍然有效，也就是相當CPU和內存之間此時是同步的，CPU會像總線發出一個Lock addl 0類似的的匯編指令，+0但相對于什么都不會做；不過一旦該指令完成，后續操作將不再影響這個元素其他線程的訪問，也就是他能實現的絕對可見性，但是不能實現一致性操作，也就是說，volatile不能實現的是i++這類操作的一致性（在多線程下并發），因為i++操作是被分解為：

int tmp = i;tmp = tmp + 1;i = tmp;

這三個步驟來完成，從這點你也能看出i++為什么能實現先做其他的事情再自我加1，因為它講值賦予給了另一個變量。

2、我們要用到多線程并發一致性，就需要用到鎖的機制，目前類似Atomic*的東西基本可以滿足這些要求，內部提供了很多unsafe類的方法，通過不斷對比絕對可見性的數據來保證獲取的數據是最新的；接下來我們繼續來說一些CPU其他的事情。

3、以前我們為了將CPU跑滿，但是無論如何跑不滿，因為我們開始說了忽略掉內存與CPU的延遲，今天既然提及到這兒，我們就簡單說下延遲，一般來講現在的CPU有三級cache，年代不同延遲不同，所以具體數字只能說個大概而已，現在的CPU一般一級cache的延遲在1-2ns，二級cache一般是幾個ns到十來ns左右，三級cache一般是30ns到50ns不等，內存訪問普遍會上到70ns甚至更多（計算機發展速度很快，這個值也僅僅在某些CPU上的數據，做一個范圍參考而已）；別看這個延遲很小，都是納秒級別，你會發現你的程序被拆分為指令運算的時候，會有很多CPU交互，每次交互的延遲如果有這么大的偏差，此時系統性能是會有變化的；

4、回到剛才說的volatile，它每次從內存中獲取數據，就是放棄cache，自然如果在某些單線程的操作中，會變得更加慢，有些時候我們也不得不這樣做，甚至于讀寫操作都要求一致性，甚至于整個數據塊都被同步，我們只能在一定程度上降低鎖的粒度，但是不能完全沒有鎖，即使是CPU本身級別也會有指令級別的限制。

5、在CPU本身級別的原子操作一般叫屏障，有讀屏障、寫屏障等，一般是基于一個點的觸發，當程序多條指令發送到CPU的時候，有些指令未必是按照程序的順序來執行，有些必須按照程序的順序來執行，只要能最終保證一致即可；在排序上，JIT在運行時會做改變，CPU指令級別也會做改變，原因主要是為了優化運行時指令讓程序跑得更快。

6、CPU級別會對內存做cache line的操作，所謂cache line會連續讀一塊內存，一般和CPU型號和架構有關系，現在很多CPU每次讀取連續內存一般是64byte，早期的有32byte的，所以在某些數組遍歷的時候會比較快（基于列遍歷很慢），但這個并不完全對，下面會對照一些相反的情況來說。

7、CPU對數據如果發生了修改，此時就不得不說CPU對數據修改的狀態，數據如果都被讀取，在多CPU下可以被多線程并行讀取并，當對數據塊發生寫操作的時候，就不一樣了，數據塊會有獨占、修改、失效等狀態，數據修改后自然就會失效，當在多CPU下，多個線程都在對同一個數據塊進行修改時，就會發生CPU之間的總線數據拷貝（QPI），當然如果修改到同一個數據上的時候我們是沒有辦法的，但是回到第6點的cache line里面，問題就比較麻煩了，如果數據是在同一個數組上，而數組中的元素會被同時cache line到一個CPU上的時候，多線程的QPI就會非常頻繁，有些時候即使是數組上組裝的是對象也會出現這個問題，如：

class InputInteger {private int value;public InputInteger(int i) {this.value = i;}}InputInteger[] integers = new InputInteger[SIZE];for(int i=0 ; i < SIZE ; i++) {integers[i] = new InputInteger(i);}

此時你看出來integers里面放的全部是對象，數組上只有對象的引用，但是對象的排布理論上說各自對象是獨立的，不會連續存放，不過java在分配對象內存的時候，很多時候，在Eden區域是連續分配的，當在for循環的時候，如果沒有其他線程的接入，這些對象就會被存放在一起，即使被GC到OLD區域也很有可能會放在一起，所以靠簡單對象來解決cache line后還對整個數組修改的方式貌似不靠譜，因為int 是4字節，如果在64模式下，這個大小是24字節（有4byte補齊），指針壓縮開啟是16byte；也就是每次cpu可以看齊3-4個對象，如何讓CPUcache了，但是又不影響系統的QPI，別想通過分隔對象來完成，因為GC過程內存拷貝過程很可能會拷貝到一起，最好的辦法是補齊，雖然有點浪費內存，但是這是最靠譜的方法，就是將對象補齊到64字節，上述若未開啟指針壓縮有24byte，此時還有40個字節，只需要在對象內部增加5個long即可。

class InputInteger {public int value;private long a1,a2,a3,a4,a5;}

呵呵，這個辦法很土，不過很管用，有些時候，Jvm編譯的時候發現這幾個參數啥都沒做，就直接給你干掉了，優化無效，土辦法加土辦法就是在一個方法體里面簡單對這5個參數做一個操作（都用上），但是這個方法永遠不調用它即可。

8、在CPU這個級別有些時候就未必能先做盡量先做的道理為王者了，類似獲取鎖這種操作，在AtomicIntegerFieldUpdater的操作，如果調用getAndSet(true)在單線程下你會發現跑得還蠻快，在多核CPU下就開始變慢，為什么上面說得很清楚了，因為getAndSet里面是修改后對比，先改了再說，QPI會很高，所以這個時候，先做get操作，再修改才是比較好的做法；還有就是獲取一次，如果獲取不到，就讓步一下，讓其他的線程去做其他的事情；

9、CPU有些時候為了解決某些CPU忙和不繁忙的問題，會有很多算法來解決，如NUMA是其中一種方案，不過不論哪種架構都在一定場景下比較有用，對有所有場景未必有效；有隊列鎖機制來完成對CPU狀態管理，不過這又存在了cache line的問題，因為狀態都是經常改變的，各類應用程序的內核為了配合CPU也會出一些算法來做，使得CPU可以更加有效的利用起來，如CLH隊列等。

有關這方面的細節會很多如用普通變量循環疊加和用volatile類型的做以及Atomic*系列的來做，完全是不一樣的；多維度數組循環，按照不同緯度向后次序來循環也是不一樣的，細節上點很多，明白為什么就在實際優化過程中有靈感了；鎖的細節說太細很暈，在系統底層的級別，始終有一些輕量級的原子操作，不論誰說他的代碼是不需要加鎖的，最細的可以細到CPU在每個瞬間只能執行一條指令那么簡單，多核心CPU在總線級別也會有共享區來控制一些內容，有讀級別、寫級別、內存級別等，在不同的場景下使得鎖的粒度盡量降低，那么系統的性能不言而喻，很正常的結果。秀好圖

來源：xieyu_zy

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