Java程序员应该掌握的底层知识

CPU的制作过程

 https://haokan.baidu.com/v?vid=11928468945249380709&pd=bjh&fr=bjhauthor&type=video

CPU是如果制作的

 https://www.sohu.com/a/255397866_468626

CPU的原理

计算机需要解决的最根本问题：如何代表数字

晶体管是如何工作的：

https://haokan.baidu.com/v?vid=16026741635006191272&pd=bjh&fr=bjhauthor&type=video

晶体管的工作原理：

https://www.bilibili.com/video/av47388949?p=2

汇编语言的执行过程

汇编语言的本质：机器语言的助记符  其实就是机器语言

执行过程 ：计算机通电->cpu读取内存中的程序（电信号输入）->时钟发生器不断震荡通电->推动cpu内部一步一步执行（执行多少取决于指令需要的时钟周期）->计算机完成->写回（信号）->写给显卡输出（图形）

 

计算机的组成

 

 

 

 

 CPU的组成

PC -> Program Counter 程序计数器 （记录当前指令地址）

Registers -> 暂时存储CPU计算需要用到的数据

ALU -> Arithmetic & Logic Unit 运算单元

CU -> Control Unit 控制单元

MMU -> Memory Management Unit 内存管理单元

 

CPU的乱序执行

 

cpu在进行读等待的同时执行指令，是cpu乱序的根源不是乱，而是提高效率

 

禁止乱序

CPU层面：Intel -> 原语(mfence lfence sfence) 或者锁总线

 

JVM层级：8个hanppens-before原则 4个内存屏障 （LL LS SL SS）

 

as-if-serial : 不管硬件什么顺序，单线程执行的结果不变，看上去像是serial

 

 

CPU 合并写

Write Combining Buffer

一般是4个字节

由于ALU速度太快，所以在写入L1的同时，写入一个WC Buffer，满了之后，再直接更新到L2

 

 

UMA:统一访问内存

 

 

NUMA

Non Uniform Memory Access

ZGC - NUMA aware

分配内存会优先分配该线程所在CPU的最近内存

 

 

 

 

 

系统启动过程

 通电 -> bios uefi 工作 -> 自检 -> 到硬盘固定位置加载bootloader -> 读取可配置信息 -> CMOS-》0x7c00（系统内存引导地址）-》操作系统

 

OS

 

 

内核分类

微内核 - 弹性部署 5G IoT

宏内核 - PC phone

外核 - 科研 实验中 为应用定制操作系统 (多租户 request-based GC JVM)

 

用户态与内核态

cpu分不同的指令级别

linux内核跑在ring 0级， 用户程序跑在ring 3，对于系统的关键访问，需要经过kernel的同意，保证系统健壮性

内核执行的操作 - > 200多个系统调用 sendfile read write pthread fork

JVM -> 站在OS老大的角度，就是个普通程序

 

进程 线程 纤程 中断

面试高频：进程和线程有什么区别？

答案：进程就是一个程序运行起来的状态，线程是一个进程中的不同的执行路径。专业：进程是OS分配资源的基本单位，线程是执行调度的基本单位。分配资源最重要的是：独立的内存空间，线程调度执行（线程共享进程的内存空间，没有自己独立的内存空间）

纤程：用户态的线程，线程中的线程，切换和调度不需要经过OS

优势：1：占有资源很少 OS : 线程1M Fiber：4K 2：切换比较简单 3：启动很多个10W+

目前2020 3 22支持内置纤程的语言：Kotlin Scala Go Python(lib)... Java? （open jdk : loom）

 

 

 

 

进程调度

2.6采用CFS调度策略：Completely Fair Scheduler

按优先级分配时间片的比例，记录每个进程的执行时间，如果有一个进程执行时间不到他应该分配的比例，优先执行

默认调度策略：

实时 （急诊） 优先级分高低 - FIFO (First In First Out)，优先级一样 - RR（Round Robin） 普通： CFS

 

 

中断

硬件跟操作系统内核打交道的一种机制

软中断（80中断） == 系统调用

系统调用：int 0x80 或者 sysenter原语

通过ax寄存器填入调用号

参数通过bx cx dx si di传入内核

返回值通过ax返回

 

java读网络 – jvm read() – c库read() - >

内核空间 -> system_call() （系统调用处理程序）

-> sys_read()

从汇编角度理解软中断

搭建汇编环境

yum install nasm

 
 
 
 
 
 
;hello.asm
;write(int fd, const void *buffer, size_t nbytes)
;fd 文件描述符 file descriptor - linux下一切皆文件
​
section data
    msg db "Hello", 0xA
    len equ $ - msg
​
section .text
global _start
_start:
​
    mov edx, len
    mov ecx, msg
    mov ebx, 1 ;文件描述符1 std_out
    mov eax, 4 ;write函数系统调用号 4
    int 0x80
​
    mov ebx, 0
    mov eax, 1 ;exit函数系统调用号
    int 0x80
 

编译：nasm -f elf hello.asm -o hello.o

链接：ld -m elf_i386 -o hello hello.o

一个程序的执行过程，要么处于用户态，要么处于内核态

 

内存管理

DOS时代 - 同一时间只能有一个进程在运行（也有一些特殊算法可以支持多进程）

windows9x - 多个进程装入内存 1：内存不够用 2：互相打扰

为了解决这两个问题，诞生了现在的内存管理系统：虚拟地址 分页装入 软硬件结合寻址

  1. 分页（内存不够用），内存中分成固定大小的页框（4K），把程序（硬盘上）分成4K大小的块，用到哪一块，加载那一块，加载的过程中，如果内存已经满了，会把最不常用的一块放到swap分区， 把最新的一块加载进来，这个就是著名的LRU算法

  3.  

    1. LRU算法 LeetCode146题，头条要求手撕，阿里去年也要求手撕
    2. Least Recently Used 最不常用
    3. 哈希表（保证 查找操作O(1)） + 链表 （保证 排序操作和新增操作 O(1)）） 
    4. 双向链表 （保证 左边指针 指向右边块）

  4. 虚拟内存（解决相互打扰问题）

     

     

    1. DOS Win31 ... 互相干掉
    2. 为了保证互不影响 - 让进程工作在虚拟空间，程序中用到的空间地址不再是直接的物理地址，而是虚拟的地址，这样，A进程永远不可能访问到B进程的空间
    3. 虚拟空间多大呢？寻址空间 - 64位系统 2 ^ 64，比物理空间大很多 ，单位是byte
    4. 站在虚拟的角度，进程是独享整个系统 + CPU
    5. 内存映射：偏移量 + 段的基地址 = 线性地址 （虚拟空间）
    6. 线性地址通过 OS + MMU（硬件 Memory Management Unit）

  5. 缺页中断（不是很重要）：

    1. 需要用到页面内存中没有，产生缺页异常（中断），由内核处理并加载

 

ZGC

算法叫做：Colored Pointer

GC信息记录在指针上，不是记录在头部， immediate memory use

42位指针 寻址空间4T JDK13 -> 16T 目前为止最大16T 2^44

CPU如何区分一个立即数 和 一条指令

总线内部分为：数据总线 地址总线 控制总线

地址总线目前：48位

颜色指针本质上包含了地址映射的概念

 

 

内核同步机制

关于同步理论的一些基本概念

•临界区（critical area）: 访问或操作共享数据的代码段 简单理解：synchronized大括号中部分（原子性）

•竞争条件（race conditions）两个线程同时拥有临界区的执行权

•数据不一致：data unconsistency 由竞争条件引起的数据破坏

•同步（synchronization）避免race conditions

•锁：完成同步的手段（门锁，门后是临界区，只允许一个线程存在） 上锁解锁必须具备原子性

•原子性（象原子一样不可分割的操作）

•有序性（禁止指令重排）

•可见性（一个线程内的修改，另一个线程可见）

互斥锁 排他锁 共享锁 分段锁

 

内核同步常用方法

1.原子操作 – 内核中类似于AtomicXXX，位于<linux/types.h>

2.自旋锁 – 内核中通过汇编支持的cas，位于<asm/spinlock.h>

3.读-写自旋 – 类似于ReadWriteLock，可同时读，只能一个写 读的时候是共享锁，写的时候是排他锁

4.信号量 – 类似于Semaphore(PV操作 down up操作 占有和释放） 重量级锁，线程会进入wait，适合长时间持有的锁情况

5.读-写信号量 – downread upread downwrite upwrite （多个写，可以分段写，比较少用）(分段锁）

6.互斥体(mutex) – 特殊的信号量（二值信号量）

7.完成变量 – 特殊的信号量（A发出信号给B，B等待在完成变量上） vfork() 在子进程结束时通过完成变量叫醒父进程 类似于(Latch)

8.BKL：大内核锁（早期，现在已经不用）

9.顺序锁（2.6）： – 线程可以挂起的读写自旋锁 序列计数器（从0开始，写时增加(+1)，写完释放(+1)，读前发现单数， 说明有写线程，等待，读前读后序列一样，说明没有写线程打断）

10.禁止抢占 – preempt_disable()

11.内存屏障 – 见volatile

 

posted on 2020-07-27 22:42  不停地朝前走  阅读(422)  评论(1)  编辑  收藏  举报

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