操作系统底层

计算机模型

计算机五大核心组成

操作系统硬件结构图

CPU内部结构

CPU缓存结构

CPU为了提升执行效率，减少CPU与内存的交互，一般在CPU上集成了多级缓存架构，常见的为三级缓存结构，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：

L1 Cache，分为数据缓存和指令缓存，逻辑核独占
L2 Cache，物理核独占，逻辑核共享
L3 Cache，所有物理核共享

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，L1缓存大小是512kb，则L1里有512 * 1024/64个缓存行。

在CPU访问存储设备时，无论是存取数据抑或存取指令，都趋于聚集在一片连续的区域中，这就被称为局部性原理。

时间局部性（Temporal Locality）：若一个信息项正在被访问，则近期很可能还会被再次访问，如循环、递归、方法的反复调用等。

空间局部性（Spatial Locality）：若一个存储器的位置被引用，则将来其附近位置也会被引用，如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等。

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，高速缓存中的数据写回主内存；

public class TwoDimensionalArraySum {
    private static final int RUNS = 100;
    private static final int DIMENSION_1 = 1024 * 1024;
    private static final int DIMENSION_2 = 6;
    private static long[][] longs;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        longs = new long[DIMENSION_1][];
        for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++) {
            longs[i] = new long[DIMENSION_2];
            for (int j = 0; j < DIMENSION_2; j++) {
                longs[i][j] = 1L;
            }
        }
        System.out.println("Array初始化完毕....");
        long sum = 0L;
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int r = 0; r < RUNS; r++) {
            for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++) {//DIMENSION_1=1024*1024
                for (int j = 0; j < DIMENSION_2; j++) {//6
                    sum += longs[i][j];
                }
            }
        }
        System.out.println("spend time1:" + (System.currentTimeMillis() - start));
        System.out.println("sum1:" + sum);

        sum = 0L;
        start = System.currentTimeMillis();
        for (int r = 0; r < RUNS; r++) {
            for (int j = 0; j < DIMENSION_2; j++) {//6
                for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++) {//1024*1024
                    sum += longs[i][j];
                }
            }
        }
        System.out.println("spend time2:" + (System.currentTimeMillis() - start));
        System.out.println("sum2:" + sum);
    }
}

Array初始化完毕....
spend time1:1428
sum1:629145600
spend time2:4371
sum2:629145600

CPU运行安全等级

CPU有4个运行级别，从高到低分别为：ring0，ring1，ring2，ring3；Linux与Windows只用到ring0、ring3，操作系统内部程序指令通常运行在ring0级别，第三方程序运行在ring3级别，若第三方程序要调用操作系统内部函数功能，必须切换CPU运行状态即从ring3切换到ring0；因为CPU要切换运行状态，所以JVM创建线程，线程阻塞唤醒是重型操作。

JVM创建线程CPU的工作过程，CPU从ring3切换ring0创建线程，创建完毕，CPU从ring0切换回ring3，线程执行JVM程序，线程执行完毕，销毁还得切会ring0。

执行空间保护

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，用户程序运行在用户方式下，系统调用运行在内核方式下。在这两种方式下所用的堆栈不一样：用户方式下用的是一般的堆栈，即用户空间的堆栈，内核方式下用的是固定大小的堆栈内核空间的堆栈，一般为一个内存页的大小，即每个进程与线程其实有两个堆栈，分别运行于用户态与内核态。

执行空间保护

CPU调度的基本单位线程，划分为内核线程模型(KLT)，用户线程模型(ULT) ，JVM使用的是内核线程模型。

内核线程模型(KLT)：系统内核管理线程(KLT)，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，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，线程阻塞则进程阻塞。

线程上下文切换

虚拟机指令集架构

虚拟机指令集架构主要分两种：栈指令集架构，寄存器指令集架构，Java是栈指令集架构，Python、Go是寄存器指令架构。

栈指令集架构

设计和实现更简单，适用于资源受限的系统;
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，其执行过程依赖于操作栈，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。