操作系统底层工作的整体认识

计算机五大核心组成部分

• 控制器：计算机的中枢神经，对程序规定的控制信息进行解释，根据其要求进行控制，调度程序、数据、地址，协调计算机各部分工作及内存与外设的访问

• 运算器：对数据进行各种算术运算和逻辑运算，即对数据进行加工处理

• 存储器：存储程序、数据和各种信号、命令等信息，并在需要时提供这些信息

• 输入设备：有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等

• 输出设备：显示终端CRT、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等

最核心的部分：CPU、内存

1. CPU指令结构

CPU内存结构

• 控制单元
• 运算单元
• 数据单元

内存和CPU通过控制总线、数据总线、地址总线进行通信。

CPU缓存架构

为了提升效率，减少CPU与内存的交互(交互影响CPU效率)，一般在CPU上集成了多级缓存架构，常见的为三级缓存结构

• L1 Cache，分为数据缓存和指令缓存，逻辑核独占
• L1 Cache，分为数据缓存和指令缓存，逻辑核独占
• L3 Cache，所有物理核共享

存储器存储空间大小：内存>L3>L2>L1>寄存器
存储器存储空间大小：内存>L3>L2>L1>寄存器
缓存是由最小的存储区块-缓存行(cacheline)组成，缓存行大小通常为64byte

为什么要加高速缓存？

空间局部性原则

如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用

时间局部性原则

如果一个信息正在被访问，那么近期被它可能还会被再次访问到

**带有高速缓存的CPU执行计算的流程 **

• 程序以及数据被加载到主内存
• 指令和数据被加载到CPU的高速缓存
• CPU执行指令，把结果写到高速缓存
• CPU执行指令，把结果写到高速缓存

2. CPU运行安全等级

四个级别：

• ring0
• ring1
• ring2
• ring3

Linux与Windows只用到了2个级别:ring0、ring3，操作系统内部内部程序指令通常运
行在ring0级别，操作系统以外的第三方程序运行在ring3级别，第三方程序如果要调用操作
系统内部函数功能，由于运行安全级别不够,必须切换CPU运行状态，从ring3切换到ring0,
然后执行系统函数

操作系统内存管理

Linux为内核代码和数据结构预留了几个页框，这些页永远不会被转出到磁盘上。从0x00000000 到 0xc0000000（PAGE_OFFSET） 的线性地址可由用户代码 和 内核代码进行引用（即用户空间）。从0xc0000000（PAGE_OFFSET）到 0xFFFFFFFFF的线性地址只能由内核代码进行访问（即内核空间）

由空间划分，CPU调度的基本单位线程：

• 内核线程模型（KLT）
  • 系统内核管理线程，内核保存线程的状态和上下文信息 线程阻塞不会引起进程阻塞
  • 在多处理器系统上，多线程在多处理器上并行运行。线程的创建、调度和管理由内核完成，效率比ULT要慢，比进程操作快
• 用户线程模型（ULT）
  • 用户程序实现,不依赖操作系统核心,应用提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程
  • 不需要用户态/内核态切换，速度快
  • 内核对ULT无感知，线程阻塞则进程（包括它的所有线程）阻塞

进程与线程

• 进程：现代操作系统在运行一个程序时，会为其创建一个进程
• 线程：线程是OS(操作系统)调度CPU的最小单元，也叫轻量级进程

3. 虚拟机指令集架构

栈指令集

• 线程是OS(操作系统)调度CPU的最小单元，也叫轻量级进程
• 避开了寄存器的分配难题:使用零地址指令方式分配;
• 指令流中的指令大部分是零地址指令,其执行过程依赖与操作栈,指令集更小,编译器容易实现
• 不需要硬件支持,可移植性更好,更好实现跨平台

**寄存器指令集架构 **

• 典型的应用是x86的二进制指令集:比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机。
• 指令集架构则完全依赖硬件,可移植性差。
• 性能优秀和执行更高效。
• 花费更少的指令去完成一项操作
• 在大部分情况下,基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主,而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主

Java符合典型的栈指令集架构特征，像Python、Go都属于这种架构