Java并发编程：用户态、内核态、cache line和CPU缓存一致性协议

文章目录

一、介绍
二、java中那些操作使用了内核态
三、cache line的概念
四、CPU缓存一致性协议

一、介绍

用户态和内核态是操作系统的两种运行状态，它们分别对应于不同的权限级别和访问能力。

用户态（User Mode）：这是应用程序运行的环境。在用户态下，应用程序可以访问系统资源，如文件、网络等，但其访问能力受到限制。具体来说，用户态下的CPU只能受限地访问内存，并且不允许直接访问外围设备，如网卡、硬盘等。此外，用户态下的CPU不允许独占，即CPU可以被其他程序获取。为了使应用程序能够访问到内核管理的资源（如CPU、内存、I/O等），用户态必须通过系统调用来请求内核提供服务。
内核态（Kernel Mode）：这是操作系统内核运行的环境。在内核态下，代码拥有更高的权限，可以直接访问系统硬件资源。内核态下的代码负责管理系统资源，如进程调度、内存管理、设备驱动等。具体来说，处于内核态的CPU可以访问任意的数据，包括外围设备，并且可以从一个程序切换到另一个程序，且占用CPU时不会发生抢占情况。

用户态和内核态的划分主要是出于访问能力的限制和安全性的考量。计算机中有一些比较危险的操作，如设置时钟、内存清理等，这些都需要在内核态下完成。如果允许用户态的程序随意进行这些危险操作，极容易导致系统崩溃。因此，用户态和内核态的划分确保了系统的稳定性和安全性。

在操作系统执行用户程序时，CPU会为程序分配一段独立的内存空间作为用户态，并将程序的代码和数据加载到这段内存空间中。同时，CPU会为程序创建一个进程控制块（PCB），用于记录程序的运行状态、内存使用情况、文件描述符等信息。而在执行系统调用时，操作系统会为当前进程创建一个新的内核栈，并将当前进程的上下文切换到内核态。

请注意，频繁的用户态和内核态之间的切换会严重影响系统性能。因此，在设计和实现操作系统时，需要权衡性能和安全性之间的关系，以找到最佳的平衡点。

二、java中那些操作使用了内核态

在Java中，由于Java是一种跨平台的语言，并且主要通过Java虚拟机（JVM）运行，因此大部分Java代码本身并不直接运行在内核态。然而，当Java程序需要访问底层系统资源或执行某些特权操作时，它可能会通过JNI（Java Native Interface）或其他机制调用本地代码（通常是C、C++等编写的），这些本地代码可能会运行在内核态。

以下是一些Java中可能使用内核态的示例操作：

系统调用：Java程序可以通过JNI或其他机制调用本地代码来执行系统调用，这些系统调用通常运行在内核态。系统调用是用户态程序请求内核态服务的一种方式，例如打开文件、读取文件、创建进程等。
硬件访问：虽然Java本身并不直接提供硬件访问的接口，但通过JNI调用本地代码，Java程序可以间接地访问硬件资源。这些硬件访问操作通常需要在内核态下执行，以确保对硬件的安全和正确的控制。
网络I/O：Java中的网络I/O操作（如Socket编程）通常通过JVM提供的网络库来实现。这些网络库可能会调用本地代码来执行网络I/O操作，这些操作可能涉及到对底层网络硬件的访问和控制，因此可能需要运行在内核态。
文件I/O：虽然Java提供了丰富的文件I/O接口，但这些接口的实现通常依赖于底层操作系统的文件系统。当Java程序执行文件I/O操作时，它可能会通过JNI调用本地代码来执行底层文件系统的操作，这些操作可能需要运行在内核态。
多线程管理：Java中的多线程管理是通过JVM的线程管理器来实现的。在某些情况下，线程管理器可能需要调用本地代码来执行一些特权操作，如设置线程优先级、创建线程等。这些操作可能需要运行在内核态。

需要注意的是，虽然这些操作可能会涉及到内核态的执行，但Java程序员通常不需要直接关心这些细节。JVM和相关的库会负责处理这些底层细节，并提供给Java程序员一个简单、安全的编程接口。在大多数情况下，Java程序员只需要关注他们的业务逻辑和算法实现即可。

三、cache line的概念

Cache Line（缓存行）是CPU Cache中的最小缓存单位，它通常是由若干个连续排列的字节组成的区域，该区域作为一个整体成组访问主存。目前主流的CPU Cache的Cache Line大小通常是64个字节。

在这里插入图片描述

CPU从内存读取数据时实际上是按块读取的，这就是Cache Line。当CPU要读取一个数据时，它会读取该数据所在的整个Cache Line到CPU Cache中，如果接下来要读取的数据也在这个Cache Line中，那么CPU就可以直接从Cache中读取，而不需要再去访问内存，这样可以大大提高CPU的访问速度。

此外，Cache Line的设计也是基于局部性原理的。当一个指令或数据被访问过之后，与它相邻地址的数据有很大概率也会被访问，因此将更多可能被访问的数据存入缓存，可以提高缓存命中率。

Cache Line又分为多种类型，包括直接映射缓存、多路组相连缓存和全相连缓存等。直接映射缓存会将一个内存地址固定映射到某一行的Cache Line，而多路组相连缓存和全相连缓存则具有更复杂的映射关系。

总的来说，Cache Line是CPU缓存设计中的一个重要概念，它对于提高CPU的访问速度和程序性能具有重要的作用。

Cache Line在代码中的应用：

package chatpter11;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * @author: xiaoshicheng
 * @date: 2024/5/11 9:38
 **/
public class TestCacheLine {
    public static long COUNT = 1_0000_0000L;
    private static class T {
        private long p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7;
        public long x = 0l;
        private long p8,p9,p10,p12,p13,p14,p15;
    }

    public static T[] arr = new T[2];
    static {
        arr[0] = new T();
        arr[1] = new T();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (long i = 0; i < COUNT; i++) {
                arr[0].x = i;
            }
            countDownLatch.countDown();
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (long i = 0; i < COUNT; i++) {
                arr[1].x = i;
            }
            countDownLatch.countDown();
        });
        final long start = System.nanoTime();
        t1.start();
        t2.start();
        countDownLatch.await();
        System.out.println((System.nanoTime() - start) / 100_0000);
    }

 }