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通過(guò)Java視角簡(jiǎn)單談?wù)劸植啃栽?/h1>

更新時(shí)間：2021年07月13日 14:29:47 作者：幻_

程序的局部性原理是指程序在執(zhí)行時(shí)呈現(xiàn)出局部性規(guī)律,即在一段時(shí)間內(nèi),整個(gè)程序的執(zhí)行僅限于程序中的某一部分,這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于通過(guò)Java視角簡(jiǎn)單談?wù)劸植啃栽淼南嚓P(guān)資料,需要的朋友可以參考下

局部性原理

程序在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，都趨于聚集在一片連續(xù)的區(qū)域中，這被稱為局部性原理。

按時(shí)間和空間劃分為兩類(lèi)：

時(shí)間局部性：如果一個(gè)數(shù)據(jù)正在被訪問(wèn)，那么近期它很可能再次被訪問(wèn)。
空間局部性：如果某一個(gè)位置的數(shù)據(jù)被訪問(wèn)，那么這個(gè)問(wèn)題附近的數(shù)據(jù)很可能被訪問(wèn)。

針對(duì)局部性原理，CPU和操作系統(tǒng)都有具體的實(shí)現(xiàn)。

本文主要總結(jié)梳理CPU和操作系統(tǒng)的局部性原理在Java后端中的影響與意義。

CPU空間局部性

如下圖是Java的內(nèi)存模型

我們知道CPU為提高從內(nèi)存中讀數(shù)據(jù)的性能，有L1、L2、L3三個(gè)級(jí)別的高速緩存。

CPU利用局部性原理，在從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)項(xiàng)到緩存時(shí)，將該內(nèi)存附近的數(shù)據(jù)塊也一并讀取到緩存中，這一過(guò)程稱為預(yù)讀。

即讀取連續(xù)空間的內(nèi)存要比內(nèi)存隨機(jī)訪問(wèn)的性能要高，這一點(diǎn)用Java程序可以證明。

public static void main(String[] args) {
        int[][] arr = new int[10000][10000];
        int sum = 0;
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < arr[0].length; j++) {
                sum += arr[i][j];
            }
        }
        System.out.println("數(shù)組順序訪問(wèn)耗時(shí)：" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
        sum = 0;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < arr[0].length; j++) {
                sum += arr[j][i];
            }
        }
        System.out.println("數(shù)組非順序訪問(wèn)耗時(shí)：" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
    }

這是一段對(duì)二維數(shù)組循環(huán)讀取的代碼。

程序的上半部分是按數(shù)組的第二維開(kāi)始順序讀取，即二維數(shù)組逐行按內(nèi)存連續(xù)空間順序訪問(wèn)。

下半部分則是按數(shù)組的第一維按列讀取，不是順序訪問(wèn)。

分別經(jīng)過(guò)10000*10000次的數(shù)組訪問(wèn)后，其運(yùn)行結(jié)果如下：

由此可見(jiàn)，對(duì)內(nèi)存的順序訪問(wèn)性能優(yōu)于隨機(jī)訪問(wèn)。

磁盤(pán)空間局部性

在Java日常開(kāi)發(fā)中，很多的中間件都需要跟磁盤(pán)文件打交道，這些磁盤(pán)數(shù)據(jù)的高性能訪問(wèn)也都依托于局部性原理，比如：

MySql的日志文件
MQ消息數(shù)據(jù)

我們知道MySql的數(shù)據(jù)最終都保存在磁盤(pán)中，為減少磁盤(pán)IO提高性能，InnoDB引擎底層依托BufferPoll+redo log機(jī)制來(lái)提高mySql讀寫(xiě)性能（具體可參考MySql原理總結(jié)）。而針對(duì)redo log、undo log、binlog的讀寫(xiě)避免不了磁盤(pán)IO，那么這里就利用操作系統(tǒng)的PageCache機(jī)制，對(duì)磁盤(pán)數(shù)據(jù)順序讀寫(xiě)，使得磁盤(pán)IO的性能近乎于內(nèi)存性能。

我們常說(shuō)kafka和rocketMQ是高性能的消息中間件，其中一部分高性能就依托于對(duì)磁盤(pán)文件的順序讀寫(xiě)。比如commit log的順序?qū)懭?，kafka中partition、rockerMQ中consumerQueue中消息的順序讀寫(xiě)。同樣的也是利用操作系統(tǒng)的PageCache機(jī)制。

PageCache

頁(yè)緩存（PageCache)是OS對(duì)文件的緩存，用于加速對(duì)文件的讀寫(xiě)。一般來(lái)說(shuō)，程序?qū)ξ募M(jìn)行順序讀寫(xiě)的速度幾乎接近于內(nèi)存的讀寫(xiě)速度，主要原因就是由于OS使用PageCache機(jī)制對(duì)讀寫(xiě)訪問(wèn)操作進(jìn)行了性能優(yōu)化，將一部分的內(nèi)存用作PageCache。

對(duì)于數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，OS會(huì)先寫(xiě)入至Cache內(nèi)，隨后通過(guò)異步的方式由pdflush內(nèi)核線程將Cache內(nèi)的數(shù)據(jù)刷盤(pán)至物理磁盤(pán)上。

對(duì)于數(shù)據(jù)的讀取，如果一次讀取文件時(shí)出現(xiàn)未命中PageCache的情況，OS從物理磁盤(pán)上訪問(wèn)讀取文件的同時(shí)，會(huì)順序?qū)ζ渌噜弶K的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)讀取。

而PageCache就是局部性原理的實(shí)現(xiàn)。