CPU工作原理

CPU工作原理

CPU只知道两件事:

1. 从内存中取出指令

2. 执行指令，然后回到1

❓CPU从哪里取出指令呢？

➡PC寄存器（Program Counter Register）即程序计数器

⭐存放的是指令在内存中的地址

🐖寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域

PC寄存器中的地址默认是自动加1的

 

❓PC中的初始值？

内存中的指令是从磁盘中保存的可执行程序加载过来的，磁盘中可执行程序是编译器生成的，编译器又是从哪里生成的机器指令呢？答案就是我们定义的函数。

 

🚩也就是，函数被编译后才会形成CPU执行的指令

那么，只需要找到函数被编译后形成的第一条指令就可以了，第一条指令就是函数入口。

 

简言之，我们需要把函数对应的第一条机器指令的内存地址装入PC寄存器就可以了

函数➡机器指令➡PC寄存器

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进程&线程

进程的入口函数就是main函数，线程诞生前进程中只有一个执行流

线程诞生后进程中可以有多个执行流，每个执行流称为线程

把CPU的PC寄存器指向线程的入口函数，这样线程就可以运行起来了，这就是为什么我们创建线程时必须指定一个入口函数的原因

注：

    图中用了多个CPU，但不是说一定要有多核才能使用多线程，在单核的情况下一样可以创建出多个线程，原因在于线程是操作系统层面的实现，和有多少个核心是没有关系的，CPU在执行机器指令时也意识不到执行的机器指令属于哪个线程。
    即使在只有一个CPU的情况下，操作系统也可以通过线程调度让各个线程“同时”向前推进，方法就是将CPU的时间片在各个线程之间来回分配，这样多个线程看起来就是“同时”运行了，但实际上任意时刻还是只有一个线程在运行。
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原文链接：https://blog.csdn.net/sinat_34608734/article/details/121831890

 

线程&内存

函数在被执行的时产生的数据包括函数参数、局部变量、返回地址等信息，这些信息是保存在栈中的

操作系统要为每个线程在进程的地址空间中分配一个栈，即每个线程都有独属于自己的栈

 线程共享了进程哪些资源

    线程运行的本质其实就是函数的执行，
    函数的执行总会有一个源头，这个源头就是所谓的入口函数，
    CPU从入口函数开始执行从而形成一个执行流，执行流就叫线程。

在这里插入图片描述

🐏函数运行时的信息保存在栈帧中，

栈帧中保存了函数的返回值、调用其它函数的参数、该函数使用的局部变量以及该函数使用的寄存器信息

同时函数运行时需要额外的寄存器来保存一些信息，像部分局部变量之类，这些寄存器也是线程私有的，一个线程不可能访问到另一个线程的这类寄存器信息。


简言之，所属线程的栈区、程序计数器、栈指针以及函数运行使用的寄存器（在CPU）是线程私有的。

以上这些信息有一个统一的名字，就是线程上下文（thread context）。

总结下，线程私有资源：栈，PC计数器（在CPU）等。

具体来说，有以下：

（1）线程ID：每个线程都有自己唯一的ID，用于区分不同的线程。

（2）寄存器组的值：当线程切换时，必须将原有的线程的寄存器集合的状态保存，以便重新切换时得以恢复。

（3）线程的堆栈：堆栈是保证线程独立运行所必须的。

（4）错误返回码：由于同一个进程中有很多个线程同时运行，可能某个线程进行系统调用后设置了error值，而在该线程还没有处理这个错误，另外一个线程就在此时被调度器投入运行，这样错误值就有可能被修改。所以，不同的线程应该拥有自己的错误返回码变量。

（5）线程优先级：线程调度的次序（并不是优先级大的一定会先执行，优先级大只是最先执行的机会大）。


函数运行时栈（run time stack）

⭐函数执行的活动轨迹：栈

当函数A调用函数B时，我们只要知道：

    函数A对于的机器指令执行到了哪里 (我从哪里来，返回)
    函数B第一条机器指令所在的地址 (要到哪里去，跳转)

图片

call指令除了给出跳转地址之外还把call指令的下一条指令的地址，也就是0x40056a push到函数A的栈帧中

图片

现在CPU开始执行函数B对应的机器指令，注意观察，函数B也有一个属于自己的小盒子(栈帧)，可以往里面扔一些必要的信息

图片


🐎栈中放函数的参数、局部变量、寄存器的初始值

假设函数A调用了函数B，函数A将一些参数写入相应的寄存器，当CPU执行函数B时就可以从这些寄存器中获取参数了。但寄存器的空间有限，所以放在函数的栈区。

图片

图片

参考：

https://cloud.tencent.com/developer/article/1768025

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg4OTYzODM4Mw==&mid=2247485714&idx=1&sn=1a315fe4da87fde2758fc9dd5366ba01&source=41#wechat_redirect

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg4OTYzODM4Mw==&mid=2247485705&idx=1&sn=1845875575601b23ed5cea0579c1f77e&source=41#wechat_redirect

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg4OTYzODM4Mw==&mid=2247485653&idx=1&sn=24a27455af32fdf97f6787e4a29e856a&source=41#wechat_redirect
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