一、操作系统底层知识

最新推荐文章于 2024-11-21 09:59:30 发布

奋斗的小巍

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分类专栏：并发编程

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文章目录

1、冯诺依曼计算机模型详解
2、操作系统内存管理
- 执行空间保护
3、进行和线程
4、总结和反思

1、冯诺依曼计算机模型详解

计算机在运行时候，先从内存获取一条指令，通过控制器进行编译，按照指令的要求获取从存储器中取出数据进行运算和逻辑操作，然后再地址的结果送到内存中去。接下来在取出第二条指令，在控制器的中完成，直到遇到停止的指令。
程序和数据一样存储，按照程序编排的顺序进行一步步的取指令，自动按照指令的操作，是计算机最初的工作模型。

1、计算机的五大核心组成部分

控制器Control：中枢神经，对程序的信息进行解释，调度程序，数据地址，协调计算机部分工作及内存与外设的访问
运算器Datapath：数据加工处理
存储器Memory：存储数据，信号，命令等
输入Input system：通过键盘等输入的外设
输出Output system：经过计算后的输出

2、CPU指令结构

在这里插入图片描述

控制单元

控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）和操作控制器OC（Operation Controller）等组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码（分析）确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括：节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

运算单元

运算单元是运算器的核心。可以执行算术运算（包括加减乘数等基本运算及其附加运算）和逻辑运算（包括移位、逻辑测试或两个值比较）。相对控制单元而言，运算器接受控制单元的命令而进行动作，即运算单元所进行的全部操作都是由控制单元发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。

存储单元

存储单元包括 CPU 片内缓存Cache和寄存器组，是 CPU 中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU 访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。寄存器是CPU内部的元件，寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。采用寄存器，可以减少 CPU 访问内存的次数，从而提高了 CPU 的工作速度。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据；而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。

3、CPU的缓存结构

CPU为了提高执行效率，减少CPU和内存的交换，CPU集成了多级缓存架构，常见的缓存架构为三级缓存架构。

L1Cache 分为数据缓存和指令缓存，逻辑核独占
L2Cache 物理核独占，逻辑核共享
L3 Cache 所有的物理核共享

CPU读取存储的数据的过程

1、CPU要取寄存器X的值，只需要一步：直接读取。
2、CPU要取L1 cache的某个值，需要1-3步（或者更多）：把cache行锁住，把某个数据拿来，解锁，如果没锁住就慢了。
3、CPU要取L2 cache的某个值，先要到L1 cache里取，L1当中不存在，在L2里，L2开始加锁，加锁以后，把L2里的数据复制到L1，再执行读L1的过程，上面的3步，再解锁。
4、CPU取L3 cache的也是一样，只不过先由L3复制到L2，从L2复制到L1，从L1到CPU。
5、CPU取内存则最复杂：通知内存控制器占用总线带宽，通知内存加锁，发起内存读请求，等待回应，回应数据保存到L3（如果没有就到L2），再从L3/2到L1，再从L1到CPU，之后解除总线锁定。

CPU为何要进行高速缓存

CPU在摩尔定律的指导下以每18个月翻一番的速度在发展，然而内存和硬盘的发展速度远远不及CPU。这就造成了高性能能的内存和硬盘价格及其昂贵。然而CPU的高度运算需要高速的数据。为了解决这个问题，CPU厂商在CPU中内置了少量的高速缓存以解决I\O速度和CPU运算速度之间的不匹配问题。
在CPU访问存储设备时，无论是存取数据抑或存取指令，都趋于聚集在一片连续的区域中，这就被称为局部性原理。
时间局部性（Temporal Locality）：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。
比如循环、递归、方法的反复调用等。
空间局部性（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。

public class TestTwoSumArray {
    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);
    }
}

带有高速缓存的CPU执行流程

程序以及数据被加载到主内存
指令和数据被加载到CPU的高速缓存
CPU执行指令，把结果写到高速缓存
高速缓存中的数据写回主内存

4、CPU运行等级

ring0
ring1
ring2
ring3
Linux与Windows只用到了2个级别:ring0、ring3，操作系统内部内部程序指令通常运行在ring0级别，操作系统以外的第三方程序运行在ring3级别，第三方程序如果要调用操作系统内部函数功能，由于运行安全级别不够,必须切换CPU运行状态，从ring3切换到ring0,然后执行系统函数，说到这里相信同学们明白为什么JVM创建线程，线程阻塞唤醒是重型操作了，因为CPU要切换运行状态。
下面我大概梳理一下JVM创建线程CPU的工作过程
step1：CPU从ring3切换ring0创建线程
step2：创建完毕,CPU从ring0切换回ring3
step3：线程执行JVM程序
step4：线程执行完毕，销毁还得切会ring0

2、操作系统内存管理

在这里插入图片描述
Linux为内核代码和数据结构预留了几个页框，这些页永远不会被转出到磁盘上。从 0x00000000 到 0xC0000000（PAGE_OFFSET）的线性地址可由用户代码和内核代码进行引用（即用户空间）。从0xC0000000（PAGE_OFFSET）到 0xFFFFFFFFF的线性地址只能由内核代码进行访问（即内核空间）。内核代码及其数据结构都必须位于这 1 GB的地址空间中，但是对于此地址空间而言，更大的消费者是物理地址的虚拟映射。
这意味着在 4 GB 的内存空间中，只有 3 GB 可以用于用户应用程序。进程与线程只能运行在用户方式（usermode）或内核方式（kernelmode）下。用户程序运行在用户方式下，而系统调用运行在内核方式下。在这两种方式下所用的堆栈不一样：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。

	CPU调度的基本单位线程： 
	1、内核线程模型（）
	*内核线程模型KLT*
	*用户线程模型ULT*

在这里插入图片描述

java采用哪种线程模型呢？
采用内核态KLT模型

执行空间保护

3、进行和线程

进程：操作系统的结构基础，是一次程序的执行，是一个程序与其数据在处理机上所发生的活动，是程序的运行过程，是系统进行资源调度的一个独立单位。
线程：是OS(操作系统)调度CPU的最小单元，也叫轻量级进程（Light Weight Process），在一个进程里可以创建多个线程，这些线程都拥有各自的计数器、堆栈和局部变量等属性，并且能够访问共享的内存变量。CPU在这些线程上高速切换，让使用者感觉到这些线程在同时执行，即并发的概念，相似的概念还有并行！
3.多线程是异步的，线程在调用的时候随机的