通過Java視角簡單談?wù)劸植啃栽?/h1>
瀏覽：81日期：2022-08-09 09:14:20
局部性原理程序在訪問數(shù)據(jù)時，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。
按時間和空間劃分為兩類：
時間局部性：如果一個數(shù)據(jù)正在被訪問，那么近期它很可能再次被訪問。 空間局部性：如果某一個位置的數(shù)據(jù)被訪問，那么這個問題附近的數(shù)據(jù)很可能被訪問。 針對局部性原理，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
![通過Java視角簡單談?wù)劸植啃栽? src=]()
我們知道CPU為提高從內(nèi)存中讀數(shù)據(jù)的性能，有L1、L2、L3三個級別的高速緩存。
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，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)組順序訪問耗時：' + (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)組非順序訪問耗時：' + (System.currentTimeMillis() - startTime) + 'ms'); }
這是一段對二維數(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。
下半部分則是按數(shù)組的第一維按列讀取，不是順序訪問。
分別經(jīng)過10000*10000次的數(shù)組訪問后，其運(yùn)行結(jié)果如下：
![通過Java視角簡單談?wù)劸植啃栽? src=]()
由此可見，對內(nèi)存的順序訪問性能優(yōu)于隨機(jī)訪問。
磁盤空間局部性在Java日常開發(fā)中，很多的中間件都需要跟磁盤文件打交道，這些磁盤數(shù)據(jù)的高性能訪問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)最終都保存在磁盤中，為減少磁盤IO提高性能，InnoDB引擎底層依托BufferPoll+redo log機(jī)制來提高mySql讀寫性能（具體可參考MySql原理總結(jié)）。而針對redo log、undo log、binlog的讀寫避免不了磁盤IO，那么這里就利用操作系統(tǒng)的PageCache機(jī)制，對磁盤數(shù)據(jù)順序讀寫，使得磁盤IO的性能近乎于內(nèi)存性能。
我們常說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磁盤文件的順序讀寫。比如commit log的順序?qū)懭耄琸afka中partition、rockerMQ中consumerQueue中消息的順序讀寫。同樣的也是利用操作系統(tǒng)的PageCache機(jī)制。
PageCache
頁緩存（PageCache)是OS對文件的緩存，用于加速對文件的讀寫。一般來說，程序?qū)ξ募M(jìn)行順序讀寫的速度幾乎接近于內(nèi)存的讀寫速度，主要原因就是由于OS使用PageCache機(jī)制對讀寫訪問操作進(jìn)行了性能優(yōu)化，將一部分的內(nèi)存用作PageCache。
對于數(shù)據(jù)的寫入，OS會先寫入至Cache內(nèi)，隨后通過異步的方式由pdflush內(nèi)核線程將Cache內(nèi)的數(shù)據(jù)刷盤至物理磁盤上。
對于數(shù)據(jù)的讀取，如果一次讀取文件時出現(xiàn)未命中PageCache的情況，OS從物理磁盤上訪問讀取文件的同時，會順序?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)。
時間局部性時間局部性可能在我們?nèi)粘I(yè)務(wù)開發(fā)中體現(xiàn)得更明顯。
類似LRU緩存都是其具體實(shí)現(xiàn)。
另外CPU的指令重排序也貼點(diǎn)邊，比如對一個數(shù)據(jù)的訪問計(jì)算，優(yōu)先將于這數(shù)據(jù)有關(guān)的指令排在一起處理。
參考
知乎：如何理解操作系統(tǒng)中的局部性原理 gitHub：RocketMQ設(shè)計(jì)文檔總結(jié)到此這篇通過Java視角簡單談?wù)劸植啃栽淼奈恼戮徒榻B到這了,更多相關(guān)Java局部性原理內(nèi)容請搜索好吧啦網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持好吧啦網(wǎng)！
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程序在訪問數(shù)據(jù)時，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。
按時間和空間劃分為兩類：
時間局部性：如果一個數(shù)據(jù)正在被訪問，那么近期它很可能再次被訪問。 空間局部性：如果某一個位置的數(shù)據(jù)被訪問，那么這個問題附近的數(shù)據(jù)很可能被訪問。針對局部性原理，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、L3三個級別的高速緩存。
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，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)組順序訪問耗時：' + (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)組非順序訪問耗時：' + (System.currentTimeMillis() - startTime) + 'ms'); }
這是一段對二維數(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。
下半部分則是按數(shù)組的第一維按列讀取，不是順序訪問。
分別經(jīng)過10000*10000次的數(shù)組訪問后，其運(yùn)行結(jié)果如下：
由此可見，對內(nèi)存的順序訪問性能優(yōu)于隨機(jī)訪問。
磁盤空間局部性在Java日常開發(fā)中，很多的中間件都需要跟磁盤文件打交道，這些磁盤數(shù)據(jù)的高性能訪問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)最終都保存在磁盤中，為減少磁盤IO提高性能，InnoDB引擎底層依托BufferPoll+redo log機(jī)制來提高mySql讀寫性能（具體可參考MySql原理總結(jié)）。而針對redo log、undo log、binlog的讀寫避免不了磁盤IO，那么這里就利用操作系統(tǒng)的PageCache機(jī)制，對磁盤數(shù)據(jù)順序讀寫，使得磁盤IO的性能近乎于內(nèi)存性能。
我們常說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磁盤文件的順序讀寫。比如commit log的順序?qū)懭耄琸afka中partition、rockerMQ中consumerQueue中消息的順序讀寫。同樣的也是利用操作系統(tǒng)的PageCache機(jī)制。
PageCache
頁緩存（PageCache)是OS對文件的緩存，用于加速對文件的讀寫。一般來說，程序?qū)ξ募M(jìn)行順序讀寫的速度幾乎接近于內(nèi)存的讀寫速度，主要原因就是由于OS使用PageCache機(jī)制對讀寫訪問操作進(jìn)行了性能優(yōu)化，將一部分的內(nèi)存用作PageCache。
對于數(shù)據(jù)的寫入，OS會先寫入至Cache內(nèi)，隨后通過異步的方式由pdflush內(nèi)核線程將Cache內(nèi)的數(shù)據(jù)刷盤至物理磁盤上。
對于數(shù)據(jù)的讀取，如果一次讀取文件時出現(xiàn)未命中PageCache的情況，OS從物理磁盤上訪問讀取文件的同時，會順序?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)。
時間局部性時間局部性可能在我們?nèi)粘I(yè)務(wù)開發(fā)中體現(xiàn)得更明顯。
類似LRU緩存都是其具體實(shí)現(xiàn)。
另外CPU的指令重排序也貼點(diǎn)邊，比如對一個數(shù)據(jù)的訪問計(jì)算，優(yōu)先將于這數(shù)據(jù)有關(guān)的指令排在一起處理。
參考
知乎：如何理解操作系統(tǒng)中的局部性原理 gitHub：RocketMQ設(shè)計(jì)文檔總結(jié)到此這篇通過Java視角簡單談?wù)劸植啃栽淼奈恼戮徒榻B到這了,更多相關(guān)Java局部性原理內(nèi)容請搜索好吧啦網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持好吧啦網(wǎng)！
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