计算机底层知识

名词解释

• 汇编语言
  机器语言的助记符，本质就是机器语言，但是不是0,1。
• NUMA(Non-uniform memory access)
  多处理器系统中的内存设计,在NUMA中,每个处理器都有自己本地内存(local memory)，处理器访问自己的本地内存比访问非本地内存要快的多,故分配内存会优先分配该线程所在CPU的最近内存。
• 僵尸进程
  一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵尸进程。
• 孤儿进程
  个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。

处理方法孤儿进程没有危害，会被init进行回收，僵尸进程占用了大量进程号，会导致进程无法创建，将产生僵尸进程的父进程毙掉，让其变成孤儿进程即可解决。

CPU的基本组成

• 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,负责从计算机、指令和数据中获取各种输入，并告诉处理器如何处理它们;被称为大脑中的大脑。
• MMU
  Memory Management Unit 内存管理单元;是中央处理器（CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址。
• Write Combining Buffer
  在写入L1的同时，写入一个WC Buffer，满了之后，再直接更新到L2。

内核分类

• 微内核
  弹性部署 5G IoT,相当于微服务架构。
• 宏内核
  PC phone，相当于单体结构。
• 外核
  科研 实验中 为应用定制操作系统 (多租户 request-based GC JVM)。

进程调度

• CFS(Completely Fair Scheduler)调度策略
  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。

调度策略: 实时(急诊)-->普通(CFS)

内存管理

• 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。
• 虚拟内存（解决相互打扰问题）
  • 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。
  • 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。
  • 站在虚拟的角度，进程是独享整个系统 + CPU。
  • 内存映射：偏移量 + 段的基地址 = 线性地址 （虚拟空间）。
  • 线性地址通过 OS + MMU（硬件 Memory Management Unit）。
• 缺页中断（不是很重要）
  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。

内核同步机制

基本概念

• 临界区
  访问或操作共享数据的代码段(synchronized大括号中部分(原子性))。
• 竞争条件
  两个线程同时拥有临界区的执行权。
• 同步
  避免条件竞争。
• 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
  像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。

内核同步常用方法

• 原子操作
  内核中类似于AtomicXXX，位于<linux/types.h>。
• 自旋锁
  内核中通过汇编支持的cas，位于<asm/spinlock.h>。
• 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。
• 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。
• 读-写信号量
  downread upread downwrite upwrite，（多个写，可以分段写，比较少用）(分段锁）。
• 互斥体(mutex)
  特殊的信号量（二值信号量）。
• 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)。
• 顺序锁
  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）。
• 禁止抢占
  使用自旋锁作为非抢占区域的标记，如果一个自旋锁被持有，内核便不能进行抢占。
• 内存屏障
  也称内存栅栏，内存栅障，屏障指令等， 是一类同步屏障指令，是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作。