CPU运行时优化(高速缓存、指令重排、内存屏障等)

最新推荐文章于 2025-04-29 08:58:17 发布
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分类专栏： JAVA 文章标签： 缓存 经验分享
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_38836273/article/details/116349574
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本文介绍了CPU运行时优化的关键点，包括高速缓存的作用和缓存一致性协议（MESI），以及CPU指令重排的影响。通过对高速缓存的理解，深入探讨了缓存一致性协议确保多处理器间数据同步的方式。此外，还讨论了内存屏障如何解决由高速缓存和指令重排引发的问题，以确保数据的一致性和程序执行的确定性。

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CPU运行时优化(高速缓存、指令重排等)

Java、大数据开发学习要点（持续更新中…）

文章目录

一、CPU高速缓存与缓存一致性协议

1.1 高速缓存

  CPU高速缓存主要是用于优化CPU程序执行性能的手段，高速缓存在硬件层面上尽可能地降低处理器访问主内存的时间开销(引申计算机存储结构—磁盘、内存、高速缓存、寄存器)。
CPU缓存结构
  L1和L2缓存均是每个CPU独占的缓存区域，往往缓存空间都不大，通常用于数据缓存和指令缓存。L3缓存进一步降低访问内存延迟，同时提升大数据量计算时的处理器性能，L3缓存是多处理器共用的，由此也引出了缓存一致性协议。

1.2 缓存一致性协议(MESI)

  MESI协议用于多处理器使用同一高速缓存时，单个CPU对缓存数据的改动需要通知给其他CPU，也就是说CPU要控制自己的读写操作，还要监听其他CPU发出的通知。MESI协议基于此给每条缓存定义了下面四个状态：

  • 修改态：此cache行已被修改过(脏行)，内容已不同于主内存，为此cache专有。
  • 专
最低0.47元/天 解锁文章
CPU高速缓存与内存屏障
疾风先生的博客
01-09 658
1. CPU缓存 cpu高速缓存的由来 在CPU的全部取指令周期中(程序计算),至少需要访问一次存储器(也就是我们所说物理内存上的数据) 通常需要多次访问存储器的取操作数或者保存结果,CPU处理计算的速度明显受限于访问存储器的限制 因此解决方案就是利用局部性原理,在CPU与物理内存之间提供一个容量小并且速度快的存储器,称为高速缓存 高速缓存概述 缓存是分“段”（line）的，一个段对...
Java 并发编程：一文了解 Java 内存模型（处理器优化、指令重排序与内存屏障的深层解析）
栗筝i的博客
07-26 1288
在当今多核处理器和高并发应用日益普及的时代，理解并掌握 Java 并发编程变得尤为重要。Java 内存模型（Java Memory Model, JMM）作为并发编程的基石，扮演着至关重要的角色。JMM 定义了多线程环境下变量的访问规则，确保程序在不同平台和处理器上能够一致且正确地运行。 本文将深入探讨 Java 内存模型中的核心概念，包括处理器优化、指令重排序与内存屏障。我们将揭示这些技术如何影响 Java 程序的执行顺序和数据可见性，以及开发者如何利用 JMM 的规则来编写高效、安全的并发程序。通过对
系统性能优化--CPU缓存优化
子非魚的博客
06-26 468
单核缓存优化 数据缓存优化 按照内存布局顺序访问 按照 cache_line_size 地址对齐 指令缓存优化 有规律的条件分支能够提高分支预测成功率 多核缓存优化 绑定 CPU 可以避免进程/线程切换导致的缓存失效，提高缓存命中率 避免多线程并行访问相邻内存空间 同一 cache line 内的数据被某个线程修改后，所有访问该 cache line 的 CPU 缓存都会失效 ...
面试题：请解释Java中的内存屏障（Memory Barrier）及其在并发编程中的作用
最新发布
胡子发芽的博客
04-29 198
内存屏障是一种同步机制，用于确保多线程环境下的内存可见性和有序性。通过插入内存屏障，可以防止编译器和处理器对指令进行重排序，从而确保内存操作的顺序性和可见性。
Java的内存模型（CPU和缓存特性，处理器的优化和指令重排，并发编程的问题，Java内存模型，Java内存模型的实现）
骑着蜗牛行天下
06-11 394
1.为什么要有内存模型？ 内存模型，它是与计算机硬件相关的一个概念。 CPU和缓存特性 我们都知道，计算机在执行程序的时候，每条指令都是在CPU中执行的，而执行的时候，又免不了要和数据打交道。而计算机上面的数据，是存放在主存当中的，也就是计算机的物理内存。 随着CPU技术的发展，CPU的执行速度越来越快。而由于内存技术并没有太大的变化，所以从内存中读取和写入数据的过程和CPU的执行速度差距就会越来越大，这导致CPU每次操作内存都会花费很长时间。 这就像一家创业公司，刚开始，创始人和员工之间工作关系其乐融融，
基础设施优化：CPU缓存
干嘛卷来卷去的博客
03-01 534
基础设施优化：CPU缓存 干货要点 内存存放位置靠近的数据放在一起进行逻辑处理，减少cpu读取次数 例1：java二维数组在内存中存放逻辑，可以尽量在让横坐标相同的数据来一起进行逻辑运算 array[0][0]，array[0][1]，array[1][0]，array[1][1]。 逻辑处理靠近的数据尽量能存在同一个缓存行中，减少cpu读取次数 例1：Nginx，会发现它是用哈希表来存放域名、HTTP 头部等数据的，这样访问速度非常快，而哈希表里桶的大小如 server_names_hash_b
使用高速缓存来优化性能、Redis数据库
weixin_44634704的博客
08-04 341
连接服务器,查看Redis进程是否运行,运行的话先终止掉 netstat -ntlp 查看进程 netstat -ntlp | grep redis 搜索redis进程 pkill redis-server 终止带有redis的进程 redis-server --version 查看redis版本 #如果没装redis数据库,前面文件有步骤, ...
CPU对代码执行效率的优化，CPU的缓存、指令重排序
lly576403061的博客
05-29 1617
深入探讨了CPU为提升代码执行效率所采纳的一系列优化措施。这些措施包括指令流水线、超标量架构、动态指令重排序、分支预测、数据局部性利用、乱序执行以及硬件多线程等技术，旨在减少指令执行时间、提高处理器利用率和降低内存访问延迟。文章还详细介绍了CPU缓存的层级结构（L1、L2、L3缓存）及其特点，强调了缓存设计在缩小CPU与主内存速度差距中的重要性。此外，文中讨论了多核CPU系统中缓存数据一致性的挑战，以及通过缓存一致性协议（如MESI协议）来保证数据一致性的机制。最后，文章阐述了指令重排序和As-If-S
3.缓存一致性-指令重排-内存屏障
苏曼的博客
12-30 647
文章目录1. 缓存一致性2. 指令重排2.1. 重排的类型2.2. 数据依赖性2.3. as-if-serial 语义2.4. 程序顺序规则happens-before2.5. 指令重排对多线程的影响3. 内存屏障3.1. LoadLoad屏障3.2. StoreStore屏障3.3. LoadStore屏障3.4. StoreLoad屏障 1. 缓存一致性 为了保证内存可见性，Java 编译器在...
CPU缓存与性能优化
Yobol2016的博客
05-02 1667
CPU缓存与性能优化 如何通过提升CPU缓存的命中率来优化程序的性能？ 极客时间 - 陶辉 - CPU缓存：怎样写代码能够让CPU执行得更快？ https://time.geekbang.org/column/article/230194 CPU缓存由更快的SRAM构成（内存由DRAM构成），而且离CPU核心更近，如果运算时需要的数据是从CPU缓存读取，而不是从内存中读取，运算速度就会快很多。...
cpu内存优化器
04-14
强力cpu内存超级优化器（自动优化版-适合游戏工作室）
CPU内存优化源码
01-01
易语言 内存优化源码 不解释 CPU内存优化源码
cpu优化,内存的优化，卡顿优化，启动优化的方式，其他的一些优化
qq_40207976的博客
04-28 780
cpu优化 1.主线程更新ui的时候，子线程不要抢夺cpu的占有权。 比如子线程里面读写大文件，或者操作数据库的时候操作大的对象。 2.设置布局的时候尽量减少层级的嵌套。尽量使用LineaLayout作为父布局容器，还可以使用meger标签来设置布局但是前提是要知道外层使用布局的类型，还可以使用viewstub设置布局，viewstub在布局没有内容显示的情况下是不会加载到父布局容器中的。设置Ac...
【多线程学习十三】有序性--指令重排及其优化
Jennifer29的博客
06-20 468
主要还是通过volatile去禁用指令重排的方式，在此之前先介绍一下什么是指令重排
CPU性能优化
chuyouyinghe的专栏
04-08 1253
在一个风和日丽的下午，女朋友拿出手机，只听到一声“TiMi~”，她便愉快的打起了王者荣耀。在经过几波激烈的团战后，我耳边就听到了女朋友的吐槽：“我怎么一打团就掉帧卡顿。网络460，这Android手机真是卡的不行，是不是该换手机了”， 然后她对我使了使眼色，对我进行了暗示。我这人打小就聪明，这么简单的暗示我怎么可能会不懂呢？所以我便坐了起来说道：“这可能还真不是手机问题，有可能是它们的软件需要做性能优化了”。女朋友白了我一眼说：“性能优化？那是什么东西”。
CPU的IPC调优：通过优化代码，提高每个时钟的指令数
RToax
10-10 2978
IPC，英文全称“Instruction Per Clock”，中文翻译过来就是每个时钟的指令，即CPU每一时钟周期内所执行的指令多少，IPC代表了一款CPU的设计架构，一旦该CPU设计完成之后，IPC值就不会再改变了。在这里，IPC值的高低起到了决定性的作用，而频率似乎不再高于一切。
读屏障、写屏障...计算机的各种屏障你明白吗？
2401_83707780的博客
04-20 1973
计算机领域有多种关于屏障的同步机制,虽然他们在名称上相似，都是并发编程中用于同步的机制，但它们在目的和应用上有明显的区别...
6种基本的缓存优化
Wanzi_biulala的博客
05-20 916
计算机体系结构 量化研究方法》P527 附录B.3。
CPU多级缓存、MESI缓存同步协议、指令重排、内存屏障解决指令重排和多级缓存带来的问题
留夕的博客
04-29 593
入门 本节主要介绍了 CPU 多级缓存、CPU 指令重排序、内存屏障。 其中 多级缓存、指令重排序 都是 CPU 为了执行效率而做的优化。 内存屏障是为了解决多线程中指令重排序所带来的的问题。 CPU性能优化手段 缓存 作用 尽可能的降低 CPU 访问主内存带来的开销 多级缓存 分类 L1 Cache(一级缓存) 是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。 ...
内存屏障与 lock前缀指令
03-30
<think>好的，我现在需要回答用户关于内存屏障和lock前缀指令在多核处理器中的作用及区别的问题。首先，我需要回忆一下这两个概念的基础知识，确保自己理解正确。 根据引用[2]，lock前缀指令的作用包括锁总线（后来改为锁缓存行），回写数据并使其他CPU的缓存失效，以及阻止指令重排序。而引用[5]提到内存屏障用于保证内存操作的可见性和顺序。用户的问题是想知道它们的区别和关系，特别是在多核环境下的应用。 首先，内存屏障主要解决的是指令重排序和可见性问题。例如，在多线程环境中，写操作可能会被编译器或处理器重排序，导致其他线程看到不一致的状态。内存屏障（如mfence、lfence、sfence）可以防止这种重排序，并确保写操作立即刷新到主存，其他处理器能及时看到变化。 而lock前缀指令，如引用[2]和[4]所述，原本用于锁总线来保证原子操作，但现在更多使用锁缓存行，通过缓存一致性协议（如MESI）来维护数据一致性。同时，lock指令也会起到类似内存屏障的作用，阻止指令重排序，并强制数据写回内存，使其他处理器的缓存失效。引用[3]提到，在X86架构下，Linux可能用lock代替内存屏障，因为性能更好。 两者的主要区别在于应用场景和机制。lock用于保证原子操作，如原子读写-修改-写回（例如INC指令），而内存屏障用于控制指令顺序和可见性，但不直接保证原子性。此外，lock指令可能隐式包含内存屏障的效果，但并非所有内存屏障都需要锁操作。 接下来需要整理这些信息，按照用户的要求分点回答，同时引用相关的资料。要注意使用中文，行内公式用$...$，独立公式用$$...$$，并且生成相关问题。需要检查LaTeX语法是否正确，确保引用标识正确放置。</think>### 内存屏障 vs LOCK前缀指令的作用及区别 #### 1. **核心作用** - **LOCK前缀指令** 用于保证指令的**原子性**。例如，对内存的读-修改-写操作（如`INC [mem]`）需要原子执行，避免多核竞争。其实现机制包括： - 早期：直接锁总线，阻止其他核访问内存[^4]。 - 现代：锁缓存行（基于MESI协议），并强制数据回写主存，同时使其他核的对应缓存失效[^2][^4]。 - 隐式阻止指令重排序，类似于内存屏障的功能。 - **内存屏障** 用于保证内存操作的**可见性和顺序性**，不直接提供原子性。例如： - 写屏障（如`sfence`）确保屏障前的写操作对其他核可见。 - 读屏障（如`lfence`）确保屏障后的读操作能获取最新数据。 - 全屏障（如`mfence`）同时约束读写顺序[^5]。 #### 2. **实现机制对比** | 特性 | LOCK前缀指令 | 内存屏障 | |--------------------|---------------------------|----------------------------| | **原子性** | ✔️（通过锁缓存/总线） | ❌（仅顺序和可见性） | | **可见性** | ✔️（强制回写并失效其他缓存） | ✔️（强制刷新写缓冲区） | | **指令重排序限制** | ✔️（隐式阻止前后指令重排） | ✔️（显式阻止特定方向重排） | | **性能开销** | 较高（涉及缓存一致性协议） | 较低（仅控制CPU流水线） | #### 3. **实际应用场景** - **LOCK前缀指令** 用于实现原子操作，如自增（`LOCK INC [mem]`）、比较交换（`CMPXCHG`）等。例如： ```c // 原子加1操作 __asm__ __volatile__("lock addl $1, %0" : "+m"(counter)); ``` - **内存屏障** 用于无锁编程或同步机制中，确保操作顺序。例如： - 写共享变量后插入写屏障，保证其他线程能立即看到结果。 - 读共享变量前插入读屏障，避免读取陈旧数据。 #### 4. **关系与替代性** - **功能重叠**：LOCK指令隐式包含内存屏障效果（如阻止重排序）[^3]。 - **架构差异**：在X86等强内存模型中，`LOCK`可能替代部分屏障需求（因Store Buffer会按顺序刷新）；而在ARM等弱内存模型中，需显式使用屏障指令（如`dmb`）。 #### 5. **数学表达示例** 若定义内存操作为序列$O_1, O_2$，屏障约束可表示为： $$ O_1 \ \text{(写)} \ \rightarrow \ \text{sfence} \ \rightarrow \ O_2 \ \text{(读)} $$ 即屏障确保$O_1$在$O_2$前完成并全局可见。 ---
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