JAVA程序员需要知道的计算机底层基础02-CPU组成原理
CPU的基本组成
Program Counter 程序计数器 （记录当前指令地址）
可以理解为我们的指令在内存中相当于一个字节数组，程序计数器记录的就是当前指令的内存地址，便于每次根据当前操作指令的占用大小进行向后移动。
Registers 寄存器
cpu中有许多不同的寄存器。因为数据每次都从内存去取太慢了，所以把从内存取来的数据暂时存储在寄存器，便于CPU计算快速拿到需要用到的数据。现在说的64位计算机，它的每一个寄存器就是可以存储64位的数据。
JVM中的栈帧中的本地局部变量表其实就相当于“寄存器”的存在，但它是通过内存实现的，而这个寄存器是硬件级别的，效率要高的多。
ALU （ Arithmetic & Logic Unit） 逻辑运算单元
就是用来进行运算的地方，举个例子，如果要计算2+3：
1、把2和3分别从内存取出来，把2 move到AX寄存器，把3 move到在BX寄存器，
2、通过程序计数器读取当前的指令，是add。
3、ALU发现是add指令，固定的从AX寄存器读取一个数2，从BX寄存器读取一个数3，然后进行一系列的电路运算，得出运算结果5，将5输出给另外一个寄存器DX
4、寄存器DX通过输出指令将5输出到内存的某个位置，完成本次运算。
CU （ Control Unit） 控制单元
就是对一些比如中断信号的控制。
MMU （Memory Management Unit） 内存管理单元
最早的内存管理单元都是由操作系统实现的，现在都是硬件+操作系统实现的。
Cache 缓存
内存空间大，但是太远所以太慢（CPU速度和内存速度100:1），寄存器快是快，空间又太小，折合之下，就多了cache的概念，cache根据级别的不同，离cpu的距离也不同，越近的存储空间越小，性能越高，价格越贵。
局部性原理，就是说程序读取了一块地方的数据，那它相邻的后续地址的数据也很大概率会被读取。
为什么只有三级缓存？ 工业测试结果这是最佳的方案。
这里因此是成块读取，CPU的缓存可能会出现伪共享问题。
因此出现了缓存行对齐：对于有些特别敏感的数字，会存在线程高竞争的访问，为了保证不发生伪共享，可以使用缓存航对齐的编程方式：
JDK7中，很多采用long padding提高效率
JDK8，加入了@Contended注解，注意JVM参数需要加上：JVM -XX:-RestrictContended
除了MESI，其他CPU还有其他的缓存一致性协议。
cpu缓存行的大小也是工业测试决定的，intel的最终测试决定是64个字节，但其他cpu可能未必。
超线程
有时候听到说有的cpu支持运行多个线程，这样的cpu叫做超线程，那什么叫超线程？
首先要先了解下普通的cpu的执行过程。
线程切换
正常来说，一个cpu中只会有一组寄存器和一个程序计数器。 假如多线程同时运行的情况下，线程1先由cpu执行着，寄存器和程序计数器都是放的是关于线程1的内容。此时线程2时间片到了，进来了，它会先把CPU中的寄存器和程序计数器的关于线程1的内容放入缓存中，然后再才能开始跑线程2的东西，这个过程就叫线程切换，可想而知，这个切换的过程肯定是消耗cpu的性能的。
超线程的不同
因此很简单，超线程就是让一个cpu中对应多组寄存器和多个程序计数器，这样多个线程进来的时候，不用再进行切换，而是各自占上空余的寄存器组合程序计数器槽位就行了。
乱序执行
https://preshing.com/20120515/memory-reordering-caught-in-the-act/
java中的指令重排序
如何禁止重排序？
volatile底层实现是 lock addl 0x0 （esp），在esp寄存器加个0，加0其实没有任何意义，实际就只是想间接使用lock指令，lock一执行完，整个关于内存前面的东西都要执行完刷到内存里，后面的东西才能进行执行。
sync底层实现是 lock comxchg， 因为sync需要自旋获得一把锁才能向下执行。
CPU层面：Intel -> 原语(mfence lfence sfence) 或者锁总线
JVM层级：8个hanppens-before原则 4个内存屏障 （LL LS SL SS）
as-if-serial : 不管硬件什么顺序，单线程执行的结果不变，看上去像是serial
CPU合并写技术
cpu在L1之间还有个Load Buffer ，Store Buffer，比L1更快，更小。 在向L1写之前会先写入到这里，不过这个不是所有CPU都有。
并且在L1之间还有个Write Combining Buffer，一般是4个字节
由于ALU速度太快，所以在写入L1的同时，写入一个WC Buffer，满了之后，再直接更新到L2。
UMA（Uniform Memory Access）
一块内存，所有CPU共享访问。
NUMA（Non Uniform Memory Access）
主板上分为不同的插槽，一个插槽放一组的CPU，这个CPU插槽组附近都有离自己组很近的内存，访问起来比起其他位置的CPU组来说要更快，具有优先级，平时各自访问自己的内存就行了，如果需要别的组的内存需要时再去别人槽附近的内存访问就行了，不过速度略慢一些，因此现在的程序其实做了优化，做到了NUMA aware ，分配内存会优先分配该线程所在CPU的最近内存。例如ZGC当前CPU分配了一个对象，会优先将对象分配在就近的内存里。