认识Java底层操作系统与并发基础

一、现代计算机硬件结构

 核心部分： CPU、内存

1.CPU内部结构

• 控制单元： 整个 CPU 的指挥控制中心
• 运算单元： 运算器核心，执行算术运算与逻辑运算。运算器接收控制单元的指令而执行动作
• 存储单元： CPU 中暂时存储数据的地方，包括 CPU 片内缓存 Cache 和 寄存器组

1.1.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

• L1 Cache，分为数据缓存和指令缓存，逻辑核独占
• L2 Cache，物理核独占，逻辑核共享
• L3 Cache，所有物理核共享

此机器的三级缓存架构如下图：L1 Cache又分为两种，指令存储单元（存指令），和逻辑存储单元（存逻辑)。理论上一台机器可以有多个 CPU，由插槽决定，一个 CPU 又有多核，一个核又可以由多个逻辑处理器。

寄存器是 CPU 内部元件，读写速度非常快。 CPU 读取数据只会从寄存器中去取，每个 CPU 都有一个独有的寄存器，其他 CPU 无法访问。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。

越靠近 CPU 读取速度越快，摩尔定律中，CPU 以每18个月翻一番的速度在发展，而内存和硬盘的发展速度远远跟不上。为了解决 CPU 运算速度和 I\O 速度不匹配的问题，CPU 开始被内置了少量的高速缓存 Lx Cache（CPU空间有限，存储元件大小受限）。

• 存储器存储空间大小： 内存 > L3 Cache > L2 Cache > L1 Cache > 寄存器
• 存储器读取速度快慢： 寄存器 > L1 Cache > L2 Cache > L3 Cache > 内存
• 缓存是由最小的存储区块--- 缓存行(CacheLine) 组成，缓存行大小通常为64byte。我的机器L1的缓存大小时512K，则由512 * 1024/64个缓存行组成。

CPU读取存储器数据过程： CPU 仅能直接从寄存器中获取数据。 假设数据 x = 0 在内存中，则它的取值过程如下：

判断寄存器中是否存在

不存在则遍历L1 Cache 看是否存在，不存在遍历L2 Cache，L2 Cache 中没有，遍历L3 Cache。中间过程存在，则会把 Cache 行锁住，拷贝到上一级，直至到寄存器。

Cache 中没有则区内存中找，先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，回应数据拷贝到L3 Cache。 注意：整个过程加锁直至到CPU才会解开

局部性原理：在CPU访问存储设备时，无论是存取数据还是存取指令，都趋于聚集在一片连续的区域中。

这种局部性原理又有两种：

• 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。

空间局部性的例子： 一个很大的二维数组，累加求和一行一行加会比一列一列累加快很多。在CPU 在内存中读取数据时会将附件的数据都读进去。

1.2.CPU运行安全等级

CPU被划分为 4 个运行级别：

•  ring0 内核态
•  ring1
•  ring2
•  ring3 用户态

linux 和 windows 都只用到了两个级别: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，创建线程，线程阻塞唤醒是重型操作，因为CPU要切换运行状态。 

JVM 创建线程是 CPU 的流程：

• 第一步：CPU 从 ring3 切换 ring0 创建线程
• 第二步： 创建完毕，CPU从 ring0 切回 ring3
• 第三步： 线程执行JVM程序
• 第四步： 线程执行完毕，销毁切回 ring0
• 第五步： 线程销毁，切回 ring3

2.操作系统内存管理

为了使程序运行安全隔离与稳定，操作系统有用户空间与内核空间两个概念。以 32位操作系统4G大小的内存空间为例：

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（4GB内存空间，用户程序可使用3GB）。如图绿色部分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）。黄色部分的线性地址只能由内核代码进行访问（即内核空间）。

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。

用户方式下使用一般的堆栈(用户空间的堆栈)，内核方式下使用固定大小的堆栈（内核空间的堆栈，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，也划分为：

• 内核线程模型(KLT)： Java使用，内核保存线程的状态和上下文信息，线程阻塞不会引起进程阻塞。在多处理器系统上，多线程在多处理器上并行运行。线程的创建、调度和管理由内核完成，效率比ULT要慢，比进程操作快。
• 用户线程模型(ULT)： 不依赖操作系统核心,应用提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。不需要用户态/内核态切换，速度快。内核对ULT无感知，线程阻塞则进程（包括它的所有线程）阻塞

 线程都有两个堆栈，一个在用户空间，一个在内核空间。阻塞、创建、杀死线程将抛弃用户空间的堆栈，转移到内核空间，执行完毕后再转移到用户空间。

3.进程与线程

进程： 操作系统资源分配的最小单位，例如：启动一个 Java 程序，操作系统就会创建一个Java 进程，进程中可以包含多个线程。

线程： 操作系统调度CPU的最小单元，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（并发）。

线程上下切换： 保存上一个线程运行的中间状态，执行下一个线程

• 串行： 时间上不可重叠，前一个任务没完成，下一个任务只能等待
• 并行： 时间上是重叠的，两个任务在同一时刻互不干扰的同时执行
• 并发： 运行两个任务彼此干扰，同一时间点，只有一个任务执行，交替执行

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