認識Java底層操作系統與並發基礎

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一、現代計算機硬件結構

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 核心部分： CPU、內存

1.CPU內部結構

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  • 控制單元： 整個 CPU 的指揮控制中心
  • 運算單元： 運算器核心，執行算術運算與邏輯運算。運算器接收控制單元的指令而執行動作
  • 存儲單元： CPU 中暫時存儲數據的地方，包括 CPU 片內緩存 Cache 和 寄存器組

1.1.CPU緩存結構

現代 CPU 為瞭提升執行效率，減少 CPU 與內存的交互(交互影響 CPU 效率)，一般在 CPU上集成瞭多級緩存架構，常見的為三級緩存結構

  • L1 Cache，分為數據緩存和指令緩存，邏輯核獨占
  • L2 Cache，物理核獨占，邏輯核共享
  • L3 Cache，所有物理核共享

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此機器的三級緩存架構如下圖：L1 Cache又分為兩種，指令存儲單元（存指令），和邏輯存儲單元（存邏輯)。理論上一臺機器可以有多個 CPU，由插槽決定，一個 CPU 又有多核，一個核又可以由多個邏輯處理器。

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寄存器是 CPU 內部元件，讀寫速度非常快。 CPU 讀取數據隻會從寄存器中去取，每個 CPU 都有一個獨有的寄存器，其他 CPU 無法訪問。采用寄存器，可以減少 CPU 訪問內存的次數，從而提高瞭 CPU 的工作速度。

越靠近 CPU 讀取速度越快，摩爾定律中，CPU 以每18個月翻一番的速度在發展，而內存和硬盤的發展速度遠遠跟不上。為瞭解決 CPU 運算速度和 I\O 速度不匹配的問題，CPU 開始被內置瞭少量的高速緩存 Lx Cache（CPU空間有限，存儲元件大小受限）。

  • 存儲器存儲空間大小： 內存 > L3 Cache > L2 Cache > L1 Cache > 寄存器
  • 存儲器讀取速度快慢： 寄存器 > L1 Cache > L2 Cache > L3 Cache > 內存
  • 緩存是由最小的存儲區塊— 緩存行(CacheLine) 組成，緩存行大小通常為64byte。我的機器L1的緩存大小時512K，則由512 * 1024/64個緩存行組成。

CPU讀取存儲器數據過程： CPU 僅能直接從寄存器中獲取數據。 假設數據 x = 0 在內存中，則它的取值過程如下：

判斷寄存器中是否存在

不存在則遍歷L1 Cache 看是否存在，不存在遍歷L2 Cache，L2 Cache 中沒有，遍歷L3 Cache。中間過程存在，則會把 Cache 行鎖住，拷貝到上一級，直至到寄存器。

Cache 中沒有則區內存中找，先通知內存控制器占用總線帶寬，通知內存加鎖，發起內存讀請求，等待回應，回應數據拷貝到L3 Cache。 註意：整個過程加鎖直至到CPU才會解開

局部性原理：在CPU訪問存儲設備時，無論是存取數據還是存取指令，都趨於聚集在一片連續的區域中。

這種局部性原理又有兩種：

  • 時間局部性（Temporal Locality）： 如果一個信息項正在被訪問，那麼在近期它很可能還會被再次訪問。 比如循環、遞歸、方法的反復調用等。
  • 空間局部性（Spatial Locality）： 如果一個存儲器的位置被引用，那麼將來他附近的位置也會被引用。 比如順序執行的代碼、連續創建的兩個對象、數組等。

空間局部性的例子： 一個很大的二維數組，累加求和一行一行加會比一列一列累加快很多。在CPU 在內存中讀取數據時會將附件的數據都讀進去。

1.2.CPU運行安全等級

CPU被劃分為 4 個運行級別：

  •  ring0 內核態
  •  ring1
  •  ring2
  •  ring3 用戶態

Linux 和 Windows 都隻用到瞭兩個級別:ring0、ring3，操作系統內部內部程序指令通常運行在 ring0 級別，操作系統以外的第三方程序運行在 ring3 級別，第三方程序如果要調用操作系統內部函數功能，由於運行安全級別不夠，必須切換CPU運行狀態，從 ring3 切換到 ring0, 然後執行系統函數，創建線程，線程阻塞喚醒是重型操作，因為CPU要切換運行狀態。 

JVM 創建線程是 CPU 的流程：

  • 第一步：CPU 從 ring3 切換 ring0 創建線程
  • 第二步： 創建完畢，CPU從 ring0 切回 ring3
  • 第三步： 線程執行JVM程序
  • 第四步： 線程執行完畢，銷毀切回 ring0
  • 第五步： 線程銷毀，切回 ring3

2.操作系統內存管理

為瞭使程序運行安全隔離與穩定，操作系統有用戶空間與內核空間兩個概念。以 32位操作系統4G大小的內存空間為例：

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Linux 為內核代碼和數據結構預留瞭幾個頁框，這些頁永遠不會被轉出到磁盤上（4GB內存空間，用戶程序可使用3GB）。如圖綠色部分的線性地址可由用戶代碼和內核代碼進行引用（即用戶空間）。黃色部分的線性地址隻能由內核代碼進行訪問（即內核空間）。

進程與線程隻能運行在用戶方式（usermode） 或 內核方式（kernelmode） 下。用戶程序運行在用戶方式下，而系統調用運行在內核方式下。

用戶方式下使用一般的堆棧(用戶空間的堆棧)，內核方式下使用固定大小的堆棧（內核空間的堆棧，一般為一個內存頁的大小)，即每個進程與線程其實有兩個堆棧，分別運行與用戶態與內核態。

CPU調度的基本單位線程，也劃分為：

  • 內核線程模型(KLT)： Java使用，內核保存線程的狀態和上下文信息，線程阻塞不會引起進程阻塞。在多處理器系統上，多線程在多處理器上並行運行。線程的創建、調度和管理由內核完成，效率比ULT要慢，比進程操作快。
  • 用戶線程模型(ULT)： 不依賴操作系統核心,應用提供創建、同步、調度和管理線程的函數來控制用戶線程。不需要用戶態/內核態切換，速度快。內核對ULT無感知，線程阻塞則進程（包括它的所有線程）阻塞

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 線程都有兩個堆棧，一個在用戶空間，一個在內核空間。阻塞、創建、殺死線程將拋棄用戶空間的堆棧，轉移到內核空間，執行完畢後再轉移到用戶空間。

3.進程與線程

進程： 操作系統資源分配的最小單位，例如：啟動一個 Java 程序，操作系統就會創建一個Java 進程，進程中可以包含多個線程。

線程： 操作系統調度CPU的最小單元，線程都擁有各自的計數器、堆棧和局部變量等屬性， 並且能夠訪問共享的內存變量。CPU 在這些線程上高速切換，讓使用者感覺到這些線程在同時執行（並發）。

線程上下切換： 保存上一個線程運行的中間狀態，執行下一個線程

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  • 串行： 時間上不可重疊，前一個任務沒完成，下一個任務隻能等待
  • 並行： 時間上是重疊的，兩個任務在同一時刻互不幹擾的同時執行
  • 並發： 運行兩個任務彼此幹擾，同一時間點，隻有一個任務執行，交替執行

到此這篇關於認識Java底層操作系統與並發基礎的文章就介紹到這瞭,更多相關Java底層操作系統內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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