認(rèn)識Java底層操作系統(tǒng)與并發(fā)基礎(chǔ)

更新時間：2022年07月29日 11:56:04 作者：Hz488

這篇文章主要介紹了認(rèn)識Java底層操作系統(tǒng)與并發(fā)基礎(chǔ)，文章圍繞主題展開詳細(xì)的內(nèi)容介紹，具有一定的參考價值，需要的朋友可以參考一下

一、現(xiàn)代計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

核心部分： CPU、內(nèi)存

1.CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)

控制單元： 整個 CPU 的指揮控制中心
運(yùn)算單元： 運(yùn)算器核心，執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算。運(yùn)算器接收控制單元的指令而執(zhí)行動作
存儲單元： CPU 中暫時存儲數(shù)據(jù)的地方，包括 CPU 片內(nèi)緩存 Cache 和 寄存器組

1.1.CPU緩存結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代 CPU 為了提升執(zhí)行效率，減少 CPU 與內(nèi)存的交互(交互影響 CPU 效率)，一般在 CPU上集成了多級緩存架構(gòu)，常見的為三級緩存結(jié)構(gòu)

L1 Cache，分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存，邏輯核獨(dú)占
L2 Cache，物理核獨(dú)占，邏輯核共享
L3 Cache，所有物理核共享

此機(jī)器的三級緩存架構(gòu)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(jī)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。

寄存器是 CPU 內(nèi)部元件，讀寫速度非?？?。 CPU 讀取數(shù)據(jù)只會從寄存器中去取，每個 CPU 都有一個獨(dú)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(nèi)存的次數(shù)，從而提高了 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(fā)展，而內(nèi)存和硬盤的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上。為了解決 CPU 運(yùn)算速度和 I\O 速度不匹配的問題，CPU 開始被內(nèi)置了少量的高速緩存 Lx Cache（CPU空間有限，存儲元件大小受限）。

存儲器存儲空間大?。?內(nèi)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(nèi)存
緩存是由最小的存儲區(qū)塊--- 緩存行(CacheLine) 組成，緩存行大小通常為64byte。我的機(jī)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(shù)據(jù)過程： CPU 僅能直接從寄存器中獲取數(shù)據(jù)。 假設(shè)數(shù)據(jù) x = 0 在內(nèi)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(qū)內(nèi)存中找，先通知內(nèi)存控制器占用總線帶寬，通知內(nèi)存加鎖，發(fā)起內(nèi)存讀請求，等待回應(yīng)，回應(yīng)數(shù)據(jù)拷貝到L3 Cache。注意：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(shè)備時，無論是存取數(shù)據(jù)還是存取指令，都趨于聚集在一片連續(xù)的區(qū)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(xiàng)正在被訪問，那么在近期它很可能還會被再次訪問。比如循環(huán)、遞歸、方法的反復(fù)調(diào)用等。
空間局部性（Spatial Locality）： 如果一個存儲器的位置被引用，那么將來他附近的位置也會被引用。比如順序執(zhí)行的代碼、連續(xù)創(chuàng)建的兩個對象、數(shù)組等。

空間局部性的例子： 一個很大的二維數(shù)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(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)時會將附件的數(shù)據(jù)都讀進(jìn)去。

1.2.CPU運(yùn)行安全等級

CPU被劃分為 4 個運(yùn)行級別：

ring0 內(nèi)核態(tài)
ring1
ring2
ring3 用戶態(tài)

Linux 和 Windows 都只用到了兩個級別:ring0、ring3，操作系統(tǒng)內(nèi)部內(nèi)部程序指令通常運(yùn)行在 ring0 級別，操作系統(tǒng)以外的第三方程序運(yùn)行在 ring3 級別，第三方程序如果要調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)部函數(shù)功能，由于運(yùn)行安全級別不夠，必須切換CPU運(yùn)行狀態(tài)，從 ring3 切換到 ring0, 然后執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)，創(chuàng)建線程，線程阻塞喚醒是重型操作，因?yàn)镃PU要切換運(yùn)行狀態(tài)。

JVM 創(chuàng)建線程是 CPU 的流程：

第一步：CPU 從 ring3 切換 ring0 創(chuàng)建線程
第二步：創(chuàng)建完畢，CPU從 ring0 切回 ring3
第三步：線程執(zhí)行JVM程序
第四步：線程執(zhí)行完畢，銷毀切回 ring0
第五步：線程銷毀，切回 ring3

2.操作系統(tǒng)內(nèi)存管理

為了使程序運(yùn)行安全隔離與穩(wěn)定，操作系統(tǒng)有用戶空間與內(nèi)核空間兩個概念。以 32位操作系統(tǒng)4G大小的內(nèi)存空間為例：

Linux 為內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)留了幾個頁框，這些頁永遠(yuǎn)不會被轉(zhuǎn)出到磁盤上（4GB內(nèi)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(nèi)核代碼進(jìn)行引用（即用戶空間）。黃色部分的線性地址只能由內(nèi)核代碼進(jìn)行訪問（即內(nèi)核空間）。

進(jìn)程與線程只能運(yùn)行在用戶方式（usermode） 或 內(nèi)核方式（kernelmode） 下。用戶程序運(yùn)行在用戶方式下，而系統(tǒng)調(diào)用運(yùn)行在內(nèi)核方式下。

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

CPU調(diào)度的基本單位線程，也劃分為：

內(nèi)核線程模型(KLT)： Java使用，內(nèi)核保存線程的狀態(tài)和上下文信息，線程阻塞不會引起進(jìn)程阻塞。在多處理器系統(tǒng)上，多線程在多處理器上并行運(yùn)行。線程的創(chuàng)建、調(diào)度和管理由內(nèi)核完成，效率比ULT要慢，比進(jìn)程操作快。
用戶線程模型(ULT)： 不依賴操作系統(tǒng)核心,應(yīng)用提供創(chuàng)建、同步、調(diào)度和管理線程的函數(shù)來控制用戶線程。不需要用戶態(tài)/內(nèi)核態(tài)切換，速度快。內(nèi)核對ULT無感知，線程阻塞則進(jìn)程（包括它的所有線程）阻塞