認(rèn)識(shí)Java底層操作系統(tǒng)與并發(fā)基礎(chǔ)

更新時(shí)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(shí)Java底層操作系統(tǒng)與并發(fā)基礎(chǔ)，文章圍繞主題展開(kāi)詳細(xì)的內(nèi)容介紹，具有一定的參考價(jià)值，需要的朋友可以參考一下

一、現(xiàn)代計(jì)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(gè) 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(dòng)作
存儲(chǔ)單元： CPU 中暫時(shí)存儲(chǔ)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(jí)緩存架構(gòu)，常見(jiàn)的為三級(jí)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(jí)緩存架構(gòu)如下圖：L1 Cache又分為兩種，指令存儲(chǔ)單元（存指令），和邏輯存儲(chǔ)單元（存邏輯)。理論上一臺(tái)機(jī)器可以有多個(gè) CPU，由插槽決定，一個(gè) CPU 又有多核，一個(gè)核又可以由多個(gè)邏輯處理器。

寄存器是 CPU 內(nèi)部元件，讀寫(xiě)速度非?？?。 CPU 讀取數(shù)據(jù)只會(huì)從寄存器中去取，每個(gè) CPU 都有一個(gè)獨(dú)有的寄存器，其他 CPU 無(wú)法訪問(wèn)。采用寄存器，可以減少 CPU 訪問(wèn)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(gè)月翻一番的速度在發(fā)展，而內(nèi)存和硬盤(pán)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(wèn)題，CPU 開(kāi)始被內(nèi)置了少量的高速緩存 Lx Cache（CPU空間有限，存儲(chǔ)元件大小受限）。

存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間大?。?內(nèi)存 > L3 Cache > L2 Cache > L1 Cache > 寄存器
存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)512K，則由512 * 1024/64個(gè)緩存行組成。

CPU讀取存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)過(guò)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(guò)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(méi)有，遍歷L3 Cache。中間過(guò)程存在，則會(huì)把 Cache 行鎖住，拷貝到上一級(jí)，直至到寄存器。

Cache 中沒(méi)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(qǐng)求，等待回應(yīng)，回應(yīng)數(shù)據(jù)拷貝到L3 Cache。注意：整個(gè)過(guò)程加鎖直至到CPU才會(huì)解開(kāi)

局部性原理：在CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，無(wú)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(shí)間局部性（Temporal Locality）： 如果一個(gè)信息項(xiàng)正在被訪問(wèn)，那么在近期它很可能還會(huì)被再次訪問(wèn)。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(gè)存儲(chǔ)器的位置被引用，那么將來(lái)他附近的位置也會(huì)被引用。比如順序執(zhí)行的代碼、連續(xù)創(chuàng)建的兩個(gè)對(duì)象、數(shù)組等。

空間局部性的例子： 一個(gè)很大的二維數(shù)組，累加求和一行一行加會(huì)比一列一列累加快很多。在CPU 在內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)將附件的數(shù)據(jù)都讀進(jìn)去。

1.2.CPU運(yùn)行安全等級(jí)

CPU被劃分為 4 個(gè)運(yùn)行級(jí)別：

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

Linux 和 Windows 都只用到了兩個(gè)級(jí)別:ring0、ring3，操作系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?nèi)部程序指令通常運(yùn)行在 ring0 級(jí)別，操作系統(tǒng)以外的第三方程序運(yùn)行在 ring3 級(jí)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(jí)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(xiāo)毀切回 ring0
第五步：線程銷(xiāo)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(gè)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(gè)頁(yè)框，這些頁(yè)永遠(yuǎn)不會(huì)被轉(zhuǎn)出到磁盤(pán)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(wèn)（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(gè)內(nèi)存頁(yè)的大小)，即每個(gè)進(jìn)程與線程其實(shí)有兩個(gè)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(huì)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(lài)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(lái)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(duì)ULT無(wú)感知，線程阻塞則進(jìn)程（包括它的所有線程）阻塞

線程都有兩個(gè)堆棧，一個(gè)在用戶空間，一個(gè)在內(nèi)核空間。阻塞、創(chuàng)建、殺死線程將拋棄用戶空間的堆棧，轉(zhuǎn)移到內(nèi)核空間，執(zhí)行完畢后再轉(zhuǎn)移到用戶空間。

3.進(jìn)程與線程

進(jìn)程： 操作系統(tǒng)資源分配的最小單位，例如：?jiǎn)?dòng)一個(gè) Java 程序，操作系統(tǒng)就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)Java 進(jìn)程，進(jìn)程中可以包含多個(gè)線程。

線程： 操作系統(tǒng)調(diào)度CPU的最小單元，線程都擁有各自的計(jì)數(shù)器、堆棧和局部變量等屬性，并且能夠訪問(wèn)共享的內(nèi)存變量。CPU 在這些線程上高速切換，讓使用者感覺(jué)到這些線程在同時(shí)執(zhí)行（并發(fā)）。

線程上下切換： 保存上一個(gè)線程運(yùn)行的中間狀態(tài)，執(zhí)行下一個(gè)線程

串行： 時(shí)間上不可重疊，前一個(gè)任務(wù)沒(méi)完成，下一個(gè)任務(wù)只能等待
并行： 時(shí)間上是重疊的，兩個(gè)任務(wù)在同一時(shí)刻互不干擾的同時(shí)執(zhí)行
并發(fā)： 運(yùn)行兩個(gè)任務(wù)彼此干擾，同一時(shí)間點(diǎn)，只有一個(gè)任務(wù)執(zhí)行，交替執(zhí)行

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