文章目錄

• 馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型
• CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)
• • 控制單元
  • 運(yùn)算單元
  • 存儲單元
• CPU緩存結(jié)構(gòu)
• • CPU讀取存儲器數(shù)據(jù)過程
  • CPU為何要有高速緩存
  • 帶有高速緩存的CPU執(zhí)行計(jì)算的流程
  • CPU運(yùn)行安全等級
• 操作系統(tǒng)內(nèi)存管理
• • 內(nèi)核線程模型 （KLT）
  • 用戶線程模型 （ULT）

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馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型

計(jì)算機(jī)五大核心組成部分

控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入、輸出

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。

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。

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。

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。

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。

上圖中最核心部分： CPU和內(nèi)存

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CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)

• 控制單元
• 運(yùn)算單元
• 數(shù)據(jù)單元
  

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。

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運(yùn)算單元

運(yùn)算單元是運(yùn)算器的核心?？梢詧?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(dòng)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。

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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?？?。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。

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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

• 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

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。

舉個(gè)例子 : 假設(shè)你的L1緩存大小是512kb,而cacheline = 64byte,那么就是L1里有512 * 1024/64個(gè)cacheline

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CPU讀取存儲器數(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

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CPU為何要有高速緩存

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I\O速度和CPU運(yùn)算速度之間的不匹配問題。

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(huì)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(gè)存儲器的位置被引用，那么將來他附近的位置也會(huì)被引用。 比如順序執(zhí)行的代碼、連續(xù)創(chuàng)建的兩個(gè)對象、數(shù)組等。

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帶有高速緩存的CPU執(zhí)行計(jì)算的流程

程序以及數(shù)據(jù)被加載到主內(nèi)存

指令和數(shù)據(jù)被加載到CPU的高速緩存

CPU執(zhí)行指令，把結(jié)果寫到高速緩存

高速緩存中的數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存

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CPU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)，從ring3切換到ring0,然后執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)，所以說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的大致工作過程

CPU從ring3切換ring0創(chuàng)建線程

創(chuàng)建完畢,CPU從ring0切換回ring3

線程執(zhí)行JVM程序

線程執(zhí)行完畢，銷毀還得切會(huì)ring0

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操作系統(tǒng)內(nèi)存管理

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)頁框，這些頁永遠(yuǎn)不會(huì)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)核空間的對戰(zhàn)，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)。

由空間劃分我們再引深一下，CPU調(diào)度的基本單位線程，也劃分為：

內(nèi)核線程模型(KLT)

用戶線程模型(ULT)

內(nèi)核線程模型 （KLT）

內(nèi)核線程(KLT)：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(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。

JVM 屬于KLT， 比如一個(gè)線程的start方法 ，底層就會(huì)在OS上開辟一個(gè)線程。

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用戶線程模型 （ULT）

用戶線程(ULT)：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。

協(xié)程一般屬于ULT的范疇

《新程序員》：云原生和全面數(shù)字化實(shí)踐50位技術(shù)專家共同創(chuàng)作，文字、視頻、音頻交互閱讀

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的[并发编程] - 操作系统底层工作原理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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