蕪湖起飛。

　　1.馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型

　　計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)，先從內(nèi)存中取出第一條指令，通過控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲器中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行指定的運(yùn)算和邏輯操作等加工，然后再按地址把結(jié)果送到內(nèi)存中去。 接下來，再取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規(guī)定操作。依此進(jìn)行下去。直至遇到停止指令。

　　程序與數(shù)據(jù)一樣存貯，按程序編排的順序，一步一步地取出指令，自動地完成指令規(guī)定 的操作是計(jì)算機(jī)最基本的工作模型。

　　這都是數(shù)學(xué)家馮.諾依曼提出的，所以被稱作馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型。

　　計(jì)算機(jī)核心組成部分：

　　　　1. 控制器(Control)：是整個(gè)計(jì)算機(jī)的中樞神經(jīng)，其功能是對程序規(guī)定的控制信息進(jìn)行 解釋，根據(jù)其要求進(jìn)行控制，調(diào)度程序、數(shù)據(jù)、地址，協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部分工作及內(nèi)存與外設(shè) 的訪問等。

　　　　2. 運(yùn)算器(Datapath)：運(yùn)算器的功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，即對數(shù)據(jù) 進(jìn)行加工處理。

　　　　3. 存儲器(Memory)：存儲器的功能是存儲程序、數(shù)據(jù)和各種信號、命令等信息，并在 需要時(shí)提供這些信息。

　　　　4. 輸入(Input system)：輸入設(shè)備是計(jì)算機(jī)的重要組成部分，輸入設(shè)備與輸出設(shè)備合你 為外部設(shè)備，簡稱外設(shè)，輸入設(shè)備的作用是將程序、原始數(shù)據(jù)、文字、字符、控制命令或現(xiàn) 場采集的數(shù)據(jù)等信息輸入到計(jì)算機(jī)。常見的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、光電輸入機(jī)、磁帶 機(jī)、磁盤機(jī)、光盤機(jī)等。

　　　　5. 輸出(Output system)：輸出設(shè)備與輸入設(shè)備同樣是計(jì)算機(jī)的重要組成部分，它把外 算機(jī)的中間結(jié)果或最后結(jié)果、機(jī)內(nèi)的各種數(shù)據(jù)符號及文字或各種控制信號等信息輸出出來。 微機(jī)常用的輸出設(shè)備有顯示終端CRT、打印機(jī)、激光印字機(jī)、繪圖儀及磁帶、光盤機(jī)等。

　　圖解馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型：

　　這是一個(gè)抽象的模型，并不是我們現(xiàn)代計(jì)算機(jī)具體實(shí)現(xiàn)的模型，那么我們現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的硬件和模型是怎么樣的呢？

　　2.運(yùn)行時(shí)內(nèi)存

　　運(yùn)行時(shí)內(nèi)存，就是內(nèi)存條大小，你的內(nèi)存條是16g，你的計(jì)算機(jī)運(yùn)行內(nèi)存就是接近16g；

　　操作系統(tǒng)有用戶空間與內(nèi)核空間兩個(gè)概念，目的也是為了做到程序運(yùn)行安全隔離與穩(wěn)定。

　　　　以32位系統(tǒng)，4g內(nèi)存為例，內(nèi)存的分配就是下圖所示：

　　

　　Linux為內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)留了幾個(gè)頁框，這些頁永遠(yuǎn)不會被轉(zhuǎn)出到磁盤上。從 0x00000000 到 0xc0000000（PAGE_OFFSET） 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）。從0xc0000000（PAGE_OFFSET）到 0xFFFFFFFFF的線性地址只 能由內(nèi)核代碼進(jìn)行訪問（即內(nèi)核空間）。內(nèi)核代碼及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都必須位于這 1 GB的地址 空間中，但是對于此地址空間而言，更大的消費(fèi)者是物理地址的虛擬映射。

　　 這意味著在 4 GB 的內(nèi)存空間中，只有 3 GB 可以用于用戶應(yīng)用程序。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。在這兩種方式下所用的堆棧不一樣：用戶方式下用的是 一般的堆棧(用戶空間的堆棧)，而內(nèi)核方式下用的是固定大小的堆棧（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)。

　　（用戶空間和內(nèi)核空間隔離是為了保護(hù)操作系統(tǒng)空間不受用戶進(jìn)程影響，保護(hù)操作系統(tǒng)）

　　jvm運(yùn)行所用的就是用戶空間，那么我們程序跟內(nèi)存是怎么交互的呢？如下圖：

　　3.CPU處理器

　　

　　　　3.1CPU結(jié)構(gòu)

　　控制單元：控制單元是整個(gè)CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR（Instruction Register）、指 令譯碼器ID（Instruction Decoder）和 操作控制器OC（Operation Controller） 等組 成，對協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶預(yù)先編好的程序，依次從存儲器中取出 各條指令，放在指令寄存器IR中，通過指令譯碼（分析）確定應(yīng)該進(jìn)行什么操作，然后通過 操作控制器OC，按確定的時(shí)序，向相應(yīng)的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要 包括：節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。

　　運(yùn)算單元：運(yùn)算單元是運(yùn)算器的核心。可以執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算（包括加減乘數(shù)等基本運(yùn)算及其附加運(yùn) 算）和邏輯運(yùn)算（包括移位、邏輯測試或兩個(gè)值比較）。相對控制單元而言，運(yùn)算器接受控 制單元的命令而進(jìn)行動作，即運(yùn)算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來 指揮的，所以它是執(zhí)行部件。

　　存儲單元：存儲單元包括 CPU 片內(nèi)緩存Cache和寄存器組，是 CPU 中暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的地方，里 面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)，CPU 訪問寄存器所用的時(shí)間要比訪 問內(nèi)存的時(shí)間短。 寄存器是CPU內(nèi)部的元件，寄存器擁有非常高的讀寫速度，所以在寄存 器之間的數(shù)據(jù)傳送非常快。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。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的，分別 寄存相應(yīng)的數(shù)據(jù)；而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途。

　　圖解CPU結(jié)構(gòu)：

　　　　3.2CPU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

　　打開任務(wù)管理器，打開第二欄性能，我們就能查看自己電腦的CPU緩存情況，下面是我的電腦CPU的L1,L2,L3緩存情況：

　　圖解CPU緩存結(jié)構(gòu)：

　　存儲器存儲空間大小：內(nèi)存>L3>L2>L1>寄存器；

　　存儲器速度快慢排序：寄存器>L1>L2>L3>內(nèi)存；（越接近內(nèi)核的存儲容量越小，效率越高）

　　緩存行：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。（比如你的L1緩存大小是512kb,而cacheline = 64byte,那么就是L1里有512 * 1024/64個(gè)）

　　為什么CPU要設(shè)計(jì)緩存？

　　　　CPU在摩爾定律的指導(dǎo)下以每18個(gè)月翻一番的速度在發(fā)展，然而內(nèi)存和硬盤的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及 CPU。這就造成了高性能能的內(nèi)存和硬盤價(jià)格及其昂貴。然而CPU的高度運(yùn)算需要高速的數(shù)據(jù)。為了解決 這個(gè)問題，CPU廠商在CPU中內(nèi)置了少量的高速緩存以解決IO速度和CPU運(yùn)算速度之間的不匹配問題。（內(nèi)存條的硬件發(fā)展跟不上CPU，為了減少CPU和內(nèi)存條交互，CPU的發(fā)展過程中就加入了緩存）

　　

　　　　3.3CPU讀取存儲數(shù)據(jù)過程

　　1、CPU要取寄存器X的值，只需要一步：直接讀取。

　　2、CPU要取L1 cache的某個(gè)值，需要1-3步（或者更多）：把cache行鎖住，把某個(gè)數(shù)據(jù)拿來，解 鎖，如果沒鎖住就慢了。

　　3、CPU要取L2 cache的某個(gè)值，先要到L1 cache里取，L1當(dāng)中不存在，在L2里，L2開始加鎖，加 鎖以后，把L2里的數(shù)據(jù)復(fù)制到L1，再執(zhí)行讀L1的過程，上面的3步，再解鎖。

　　4、CPU取L3 cache的也是一樣，只不過先由L3復(fù)制到L2，從L2復(fù)制到L1，從L1到CPU。

　　5、CPU取內(nèi)存則最復(fù)雜：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)保存到L3（如果沒有就到L2），再從L3/2到L1，再從L1到CPU，之后解除總線鎖定。

　　

　　CPU執(zhí)行計(jì)算的流程

　　　　1. 程序以及數(shù)據(jù)被加載到主內(nèi)存

　　　　2. 指令和數(shù)據(jù)被加載到CPU的高速緩存

　　　　3. CPU執(zhí)行指令，把結(jié)果寫到高速緩存

　　　　4. 高速緩存中的數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存

　　　　3.4CPU局部性

　　在CPU訪問存儲設(shè)備時(shí)，無論是存取數(shù)據(jù)抑或存取指令，都趨于聚集在一片連續(xù)的區(qū)域中，這就被稱為局部性原理。

　　

　　　　時(shí)間局部性（Temporal Locality）：如果一個(gè)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。（如果一個(gè)數(shù)據(jù)被load到內(nèi)存里面，對這個(gè)數(shù)據(jù)的操作指令執(zhí)行完成以后，這個(gè)數(shù)據(jù)不會在緩存中馬上清除，很有可能這個(gè)數(shù)據(jù)還會再次被用到）

　　　　空間局部性（Spatial Locality）：如果一個(gè)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(gè)對象、數(shù)組等。（從內(nèi)存中加載一個(gè)數(shù)據(jù)到緩存里面去，CPU會把這個(gè)數(shù)據(jù)周圍的一些數(shù)據(jù)也加載到緩存中去）（緩存行）

　　　　對于空間局部性，我們來看下面這段代碼：

private static int length1 = 1024*1024;

    private static int length2 = 6;

    private static int runs = 100;

    public static void main(String[] args) {

        long[][] array = new long[1024*1024][6];

        /**
         * 初始化二維數(shù)組
         */
        for (int i = 0; i < length1; i++) {
            array[i] = new long[length2];
            for (int j = 0; j < length2; j++) {
                array[i][j] = 1;
            }
        }
        System.out.println("數(shù)組初始化完畢++++");

        long sum = 0L;
        long start = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < runs; i++) {
            for (int j = 0; j < length1; j++) {
                for (int k = 0; k< length2; k++) {
                    sum += array[j][k];
                }
            }
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("sum:"+ sum);
        System.out.println("第一次相加完畢,耗時(shí)"+ (end - start));

        sum = 0L;
        start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < runs; i++) {
            for (int j = 0; j < length2; j++) {
                for (int k = 0; k< length1; k++) {
                    sum += array[k][j];
                }
            }
        }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("sum:"+ sum);
        System.out.println("第二次相加完畢,耗時(shí)"+ (end - start));
    }

　　執(zhí)行 結(jié)果：

數(shù)組初始化完畢++++
sum:629145600
第一次相加完畢,耗時(shí)1643
sum:629145600
第二次相加完畢,耗時(shí)3461

　　我們可以看出，第一次執(zhí)行速度明顯要高于第二次執(zhí)行速度。

　　這是因?yàn)槿绻缘谝环N循環(huán)方式，循環(huán)1024*1024次，每次只相加6條數(shù)據(jù)，6條數(shù)據(jù)，都是long，一共是48byte，我們cpu的緩存行一個(gè)是64byte，然后根據(jù)空間局部性原則，這6個(gè)數(shù)據(jù)都會被讀到一個(gè)緩存行里面；如果是第二種循環(huán)方式，循環(huán)6次，每次都是1024*1024條數(shù)據(jù)，一個(gè)緩存行肯定是放不下的，所以CPU要去和內(nèi)存交互1024*1024次，所以效率比第一種循環(huán)要低得多。

　　

　　　　3.4CPU運(yùn)行安全等級

　　CPU有4個(gè)運(yùn)行級別，分別為：

　　　　ring0

　　　　ring1

　　　　ring2

　　　　ring3

　　Linux與Windows只用到了2個(gè)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)（IO操作，JVM創(chuàng)建線程等，都需要切換到ring3級別），從ring3切換到ring0, 然后執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)，說到這里相信明白為什么JVM創(chuàng)建線程，線程阻塞喚醒是重型操作了，因?yàn)镃PU要切換運(yùn)行狀態(tài)。

　　JVM創(chuàng)建線程CPU的工作過程：

　　　　1：CPU從ring3切換ring0創(chuàng)建線程

　　　　2：創(chuàng)建完畢,CPU從ring0切換回ring3

　　　　3：線程執(zhí)行JVM程序

　　　　4：線程執(zhí)行完畢，銷毀還得切會ring0

　　　　3.5CPU線程模型

　　內(nèi)核線程模型：系統(tǒng)內(nèi)核管理線程(KLT),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：用戶程序?qū)崿F(xiàn),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。

　　JVM使用的線程模型？

　　我們來看下面代碼：

public static void main(String[] args) {
        for (int i =0; i < 200; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    while (true) {
                        try {
                            Thread.sleep(1000);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

　　如果我們的CPU能感知到線程的創(chuàng)建，那么久說明JVM用的是用戶線程模型，如果CPU不能感知，那么就是內(nèi)核線程模型。

　　執(zhí)行前我們打開任務(wù)管理器，看看系統(tǒng)線程是多少個(gè)：

　　基本穩(wěn)定在1940左右，我們執(zhí)行代碼，在看線程數(shù)量：

　　基本上是多個(gè)200個(gè)線程左右，這說明，這些線程都是由操作系統(tǒng)創(chuàng)建的，所以，JVM的線程就是用戶線程模型。

　　4.運(yùn)行內(nèi)存和CPU關(guān)系

　　用一張圖來說的話：

　　

　　上面就是運(yùn)行內(nèi)存和CPU的一些初步認(rèn)知，我們學(xué)這些東西只是為了更好的了解電腦工作原理，了解程序和硬件之間的交互，為了寫出更高質(zhì)量的代碼！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机运行时内存&处理器CPU初步认知的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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