文浩

并发编程(一) 操作系统底层工作的整体认识

2020/07/01 并发 共 5564 字，约 16 分钟
似水似流年

并发编程(一) 操作系统底层工作的整体认识：

可以参考操作系统概论中知识点综合理解。中间会涉及到临界区，CPU操作的三种状态，就绪，运行，等待。

操作系统概论章节涉及：系统概论简介、进程管理、进程调度和死锁、内存管理、文件系统、I/O设备管理

熟悉底层CPU、内存、线程之间的调用关系，有助于理解并发。

冯诺依曼计算机模型详解：

​ 现代计算机模型是基于-冯诺依曼计算机模型

​ 计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停 止指令。

​ 程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定 的操作是计算机最基本的工作模型。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945 年提出来的，故称为冯.诺依曼计算机模型。

计算机五大核心组成部分：

  1. 控制器(Control):是整个计算机的中枢神经，其功能是对程序规定的控制信息进行解释，根据其要求进行控制，调度程序、数据、地址，协调计算机各部分工作及内存与外设的访问等。
  2. 运算器(Datapath):运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算，即对数据 进行加工处理。
  3. 存储器(Memory):存储器的功能是存储程序、数据和各种信号、命令等信息，并在 需要时提供这些信息。
  4. 输入(Input system):输入设备是计算机的重要组成部分，输入设备与输出设备合你 为外部设备，简称外设，输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现 场采集的数据等信息输入到计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带 机、磁盘机、光盘机等。
  5. 输出(Output system):输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分，它把外 算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来。 微机常用的输出设备有显示终端CRT、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等。

​

冯诺依曼计算机模型

上面的模型是一个理论的抽象简化模型，它的具体应用就是现代计算机当中的硬件结构设计:

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在上图硬件结构当中，配件很多，但最核心的只有两部分:CPU、内存。

CPU指令结构

控制单元、运算单元、数据单元

CPU指令结构

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。

下表列出了CPU关键技术的发展历程以及代表系列，每一个关键技术的诞生都是环环相 扣的，处理器这些技术发展历程都围绕着如何不让“CPU闲下来”这一个核心目标展开。

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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

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存储器存储空间大小: 内存>L3>L2>L1>寄存器;

存储器速度快慢排序: 寄存器>L1>L2>L3>内存;

还有一点值得注意的是: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。

缓存行是什么意思呢?

​ 比如你的L1缓存大小是512kb,而cacheline = 64byte,那么就是L1里有512 * 1024/64个cacheline

CPU读取存储器数据过程

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为何要有高速缓存

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。

空间局部性原则举例：

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 (intr = 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];
                }
            }
        }
    }
}

带有高速缓存的CPU执行计算的流程：

  1. 程序以及数据被加载到主内存

  2. 指令和数据被加载到CPU的高速缓存

    1. CPU执行指令，把结果写到高速缓存 4. 高速缓存中的数据写回主内存

CPU运行安全等级

CPU有4个运行级别，分别为: 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

操作系统内存管理：

执行空间保护

​ 操作系统有用户空间与内核空间两个概念，目的也是为了做到程序运行安全隔离与稳定，以 32位操作系统4G大小的内存空间为例

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​ 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。

由空间划分我们再引深一下，CPU调度的基本单位线程，也划分为:

1、内核线程模型(KLT)

2、用户线程模型(ULT)

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​ 内核线程(KLT):系统内核管理线程(KLT),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。

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​ 用户线程(ULT):用户程序实现,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。

进程与线程：

概念：

什么是进程?

​ 现代操作系统在运行一个程序时，会为其创建一个进程;例如，启动一个Java程序，操作系统就会创建一个Java进程。进程是OS(操作系统)资源分配的最小单位。

什么是线程?

​ 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!

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虚拟机指令集架构：

虚拟机指令集架构主要分两种: 1、栈指令集架构 2、寄存器指令集架构 关于指令集架构的wiki详细说明: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8C%87%E4%BB%A4%E9%9B%86%E6%9E%B6%E6%A7%8B

栈指令集架构

1. 设计和实现更简单,适用于资源受限的系统;
 	2. 避开了寄存器的分配难题:使用零地址指令方式分配;
 	3. 指令流中的指令大部分是零地址指令,其执行过程依赖与操作栈,指令集更小,编译器 容易实现;
 	4. 不需要硬件支持,可移植性更好,更好实现跨平台。

寄存器指令集架构

  1. 典型的应用是x86的二进制指令集:比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机。
  2. 指令集架构则完全依赖硬件,可移植性差。
  3. 性能优秀和执行更高效。
  4. 花费更少的指令去完成一项操作。
  5. 在大部分情况下,基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三 地址指令为主,而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主。

Java符合典型的栈指令集架构特征，像Python、Go都属于这种架构。

总结：

  • 将电脑理解成人脑。CPU是最核心思想的地方，内存是临时存储记忆的地方，进程和线程相当于神经脉络，文件存储是长期存储记忆。
  • 基础流程：CPU从内存获取数据加工运算，在放入内存中，需要长期调用的数据就持久化。
  • 详细流程：为了快速的获取数据，为了数据更新的一致性问题
    • CPU内部的寄存器从内存获取数据，通过L1，L2,L3级缓存进行高速读取。中间涉及到安全等级和运算速度
    • CPU通过总线来统一获取数据和回写数据，保证缓存中数据的一致性，后续涉及到MIES理论。
  • 举例详细：
    • 大脑读取短期记忆，快速读取和读取的一致性，神经脑细胞快速传递和神经元分裂传递处理，最终有的数据持久化到长期记忆中。
    • CPU、内存、进程、线程、文件系统

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