操作系统底层工作原理

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原创最新推荐文章于 2026-04-14 11:27:17 发布 2.6k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

操作系统底层架构与内核设计及实现原理 CPU的全称是CentrolProcessingUnit，它是你的电脑中最硬核的组件，这种说法一点不为过。CPU是能够让你的计算机叫计算机的核心组件，但是它却不能代表你的电脑，CPU 与计算机的关系就相当于大脑和人的关系。它是一种小型的计算机芯片，它嵌入在台式机、笔记本电脑或者平板电脑的主板上。通过在单个计算机芯片上放置数十亿个微型晶体管来构建CPU，这些晶体管使它能够执行运行存储在系统内存中的程序所需的计算，也就是说CPU决定了你电脑的计算能力。阅读详情

1、CPU指令结构

CPU内部结构

控制单元
运算单元
数据单元

在这里插入图片描述
1）控制单元，给我们提供些指令进行控制，那为什么要用到控制单元呢？像我们的程序代码中，经常要使用到if判断都操作时，就需要使用到控制单元中的指令。

2）运算单元，将运算的逻辑都放在运算单元。

3）存储单元，主要是用来运算结果临时存储的功能，存储单元主要由寄存器和CPU的缓存组成，是CPU中暂时存放数据的地方。存储单元存储了两部分东西，一部分是指令，一部分是数据。

4）内存，内存主要是存放指令和数据。java中的代码通过javac命令编译成class文件，字节码class文件被类加载器加载到JVM的元空间里面，元空间就有了这些指令和数据。

2、CPU缓存结构

现代CPU为了提升执行效率，减少CPU与内存的交互（交互影响CPU效率），一般在CPU上集成了多级缓存架构，常见的为三级缓存结构
一个CPU可以使多核的，一台电脑上也可安装多个CPU
以下CPU是一个单CPU 4核（物理核）、8个逻辑处理器（一个物理核可以同时执行两个线程）、三级缓存（L1、L2、L3）
在这里插入图片描述
1）为什么要在CPU上设计三级缓存呢？
摩尔定律：每18个月CPU性能至少提升一倍。
内存的发展速度远远跟不上CPU的发展速度，因此，CPU的性能远远要高于内存，由于CPU到内存中读取指令是一个很复杂的过程，效率很低。CPU和内存在主板的不同位置，两者之间的通信就相当耗时了。那么为了减少CPU和内存之间的交互，在CPU上设计了缓存。

2）为什么三级缓存的大小依次递增的？
三级缓存的速度：
CPU中的寄存器 > L1 > L2 > L3 > 内存
存储器存储空间大小：内存 > L3 > L2 > L1 > 寄存器

L1一级缓存是离CPU内核最近的缓存
内存中读取的数据会先放到L3,再将L3的数据拷贝到L2，再将L2的数据拷贝到L1,再从L1中的数据拷贝到CPU的寄存器中，CPU操作的存储空间永远是寄存器中存取。每一个CPU都有一个自己独有的寄存器，这个寄存器只有自己的CPU可以访问，其他的CPU不能访问。
在这里插入图片描述
L3缓存是整个CPU上所有内核共享的，L1和L2是CPU上每个内核独享的。L1在上图中做了逻辑上的划分，划分为两部分，一部分存储指令，一部分存储数据。

3）CPU读取数据的过程：
首先CPU从L1缓存中找，如果没有找到则从L2缓存中找，如果没有找到，则从L3缓存中找，如果没有找到，则从内存中找。
读取到的数据不能立刻存放到寄存器中，会先存放到L3缓存中，再拷贝一份到L2缓存和L1缓存中，再读取到寄存器中。

4）空间局部性原则（Spatial Locality）：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等。CPU会将它相邻的数据加载进内存。

public class TwoDimensionalArraySum {

    private static final int RUNS = 100;
    private static final int DIMENSION_1 = 1024 * 1024;
    private static final int DIMENSION_2 = 6;
    private static long[][] longs;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        /*
         * 初始化数组
         */
        longs = new long[DIMENSION_1][];
        for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++) {
            longs[i] = new long[DIMENSION_2];
            for (int j = 0; j < DIMENSION_2; j++) {
                longs[i][j] = 1L;
            }
        }
        System.out.println("Array初始化完毕....");

        long sum = 0L;
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int r = 0; r < RUNS; r++) {
            for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++) {//DIMENSION_1=1024*1024
                for (int j=0;j<DIMENSION_2;j++){//6
                    sum+=longs[i][j];
                }
            }
        }
        System.out.println("spend time1:"+(System.currentTimeMillis()-start));
        System.out.println("sum1:"+sum);

        sum = 0L;
        start = System.currentTimeMillis();
        for (int r = 0; r < RUNS; r++) {
            for (int j=0;j<DIMENSION_2;j++) {//6
                for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++){//1024*1024
                    sum+=longs[i][j];
                }
            }
        }
        System.out.println("spend time2:"+(System.currentTimeMillis()-start));
        System.out.println("sum2:"+sum);
    }
}

结果：
在这里插入图片描述

以上代码是创建了一个二维数组，第一种方式是按行循环相加，第二种是按列循环相加。安装CPU的空间局部性原则，第一种的循环方式远远要高于第二种，因为CPU在按行循环的时候就将相邻的数据加载到内存中，而按列则只能一个一个加载到CPU的内存中。

5）时间局部性原则：如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。CPU不会立即将其清除。

6）内核空间和用户空间
在这里插入图片描述
4 GB 的内存空间中，只有 3 GB 可以用于用户应用程序。
用户方式下用的是
一般的堆栈(用户空间的堆栈)，而内核方式下用的是固定大小的堆栈（内核空间的对战，一
般为一个内存页的大小），即每个进程与线程其实有两个堆栈，分别运行与用户态与内核
态。
内核线程模型
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