Juc10_CPU指令缓存结构运行安全等级操作系统内存管理上下文切换虚拟机指令集架构

Posted 2023-01-31 所得皆惊喜

文章目录

• ①. 冯诺依曼计算机模型详解
• ②. CPU指令结构
• ③. CPU缓存结构
• ④. CPU运行安全等级
• ⑤. 操作系统内存管理
• ⑥. 上下文切换
• ⑦. 虚拟机指令集架构

①. 冯诺依曼计算机模型详解

• ①. 现代计算机模型是基于-冯诺依曼计算机模型

• 计算机在运行时,先从内存中取出第一条指令,通过控制器的译码,按指令的要求,从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令,在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令

• 程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序,一步一步地取出指令,自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作模型。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼计算机模型

• ②. 计算机五大核心组成部分

• 控制器(Control)：是整个计算机的中枢神经,其功能是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等

• 运算器(Datapath)：运算器的功能是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(Memory)：存储器的功能是存储程序、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(Input system)：输入设备是计算机的重要组成部分,输入设备与输出设备合你为外部设备,简称外设,输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入到计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等

• 输出(Output system)：输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分,它把外算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来。微机常用的输出设备有显示终端CRT、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等
  

• ③. 上面的模型是一个理论的抽象简化模型，它的具体应用就是现代计算机当中的硬件结构设计：
  

②. CPU指令结构

• ①. 控制单元:提供指令进行控制,比如我们要循环、逻辑的判断等(while、for、if等)

• ②. 运算单元:比如 1+1=2、2*3=6

• ③. 储存单元:主要存储的是:cpu缓存、寄存器(包含了两部分:指令和指令操作的数据),存的是正要计算的。还有一些没有来得及计算的,或者准备要计算的,但是还没有读到CPU来,这部分指令和数据在内存中,只有cpu执行到这个程序,需要用到的时候,才会将数据和指令加载到储存单元来

③. CPU缓存结构

• ①. 现代CPU为了提升执行效率,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、L2是多核独享、L3是多核共享

• ②. 存储器存储空间大小:内存>L3>L2>L1>寄存器
  存储器速度快慢排序:寄存器>L1>L2>L3>内存

• ③. 还有一点值得注意的是: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
  缓存行是什么意思呢？
  比如你的L1缓存大小是512kb,而cacheline = 64byte,那么就是L1里有512 * 1024/64个cacheline

• ④. CPU读取存储器数据过程 重点

1. CPU要取寄存器X的值,只需要一步:直接读取
2. CPU要取L1 cache的某个值,需要1-3步(或者更多):把cache行锁住,把某个数据拿来,解锁,如果没锁住就慢了
3. CPU要取L2 cache的某个值,先要到L1 cache里取,L1当中不存在,在L2里,L2开始加锁,加锁以后,把L2里的数据复制到L1,再执行读L1的过程,上面的3步,再解锁
4. CPU取L3 cache的也是一样,只不过先由L3复制到L2,从L2复制到L1,从L1到CPU
5. CPU取内存则最复杂：通知内存控制器占用总线带宽,通知内存加锁,发起内存读请求,等待回应,回应数据保存到L3(如果没有就到L2),再从L3/2到L1,再从L1到CPU,之后解除总线锁定

• ⑤. 时间局部性(Temporal Locality):如果一个信息项正在被访问,那么在近期它很可能还会被再次访问
  比如循环、递归、方法的反复调用等
  空间局部性(Spatial Locality):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
  比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等

• ⑥. 多线程的引入,摩尔定律失效(硬件方面)

1. 集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍,可是从2003年开始CPU主频已经不再翻倍,而是采用多核而不是更快的主频
2. 在主频不再提高且核数不断增加的情况下,要想让程序更快就要用到并行或并发编程

④. CPU运行安全等级

• ①. CPU有4个运行级别,分别为:ring0、ring1、ring2、ring3

• ②. 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,说到这里相信同学们明白为什么JVM创建线程,线程阻塞唤醒是重型操作了,因为CPU要切换运行状态

• ③. 下面我大概梳理一下JVM创建线程CPU的工作过程

1. CPU从ring3切换ring0创建线程
2. 创建完毕,CPU从ring0切换回ring3
3. 线程执行JVM程序
4. 线程执行完毕，销毁还得切会ring0

• ④. 我们的线程都有两个堆和栈,一个在用户空间(用户态)，一个在系统空间(系统态)如果我们不去调用系统库的话(比如开启一个线程),都是运行在用户空间,一旦你的线程需要阻塞,或者杀死,那么你的CPU状态就要从用户态切换到内核态,把操作系统的堆和栈给丢了,杀死掉(这个时候CPU的安全等级是ring0,ring0表示的是最高的等级)杀掉或者阻塞好了以后,又会从系统态(ring0)切回到用户态(ring3) 掌握

⑤. 操作系统内存管理

• ①. 操作系统有用户空间与内核空间两个概念,目的也是为了做到程序运行安全隔离与稳定,以32位操作系统4G大小的内存空间为例
  
• ②. 由空间划分我们再引深一下,CPU调度的基本单位线程,也划分为：内核线程模型(KLT)、用户线程模型(ULT)
  Java是内核线程模型(KLT)
  

⑥. 上下文切换

• ①. 线程的上下文切换: 把上一个线程的中间状态保存,切换到另一个线程,这就是线程的上下文切换(这些中间状态保存在内存中(Task State Segment))

• ②. CPU在执行T1|T2两个线程的时候,实际上是分配时间周期的方式,在调度的时候,会给T1、T2分配时间,比如说T1是50ns、T2是100ns,在执行T1的时间片中,如果T1线程没有执行完毕,那么就会保存T1运行到此刻的中间状态保存(比如代码执行到哪里来了,就把到此刻的结果进行保存),然后再去执行T2)

⑦. 虚拟机指令集架构

• ①. 栈指令集架构(Java采用的是这样架构)
  比如说我们执行1+2,会先将1先放到操作数栈中,然后从操作数栈中取出,放到局部变量表,将2放入操作数栈中,然后从操作数栈中取出,放到局部变量表。在将局部变量表的1和2取出放到操作数栈中计算

• ②. 寄存器指令集架构(会非常快)
  比如说我们执行1+2,那么直接将1和2从内存读到CPU中,然后进行相加得到结果,刷回内存中