java需要知道的计算机底层

计算机组成

cpu

PC
Program Counter，程序运行的时候，需要指令和数据，而一个复杂的程序有很多指令，那么每一步执行哪一条指令，就从内存里取出来放到PC了里，记住这个指令在内存里位置，从而知道下一个指令从内存的哪里取。
Registers
寄存器，一颗cpu里有很多寄存器，有的写，有的读，还有其他的作用，程序运行时的数据就放到寄存器里。
ALU
Arithmetic & Logic Unit，计算和逻辑单元，比如计算2+3，从PC里拿+指令，从register A里拿2，从register B里拿3，数据，运算后把结果再返回给register C，然后刷回内存。
cache
缓存，cpu里的io速度是内存里的100倍，如果每次都从内存里拿数据，会很慢，于是就有了缓存。结构如下：

cpu里的缓存分三级，各级的读取速度如下：

对于多核cpu，在各核里有各自的L1和L2缓存，在同一颗cpu里公用L3缓存，计算机读取IO是块读的，即每次读取一个缓存行（cache line）每次都是64K，那么假如2核cpu，同时需要读取了同一个缓存行，而核1改了该缓存行里的某些值，为了保证数据一致性，要通知核2这个缓存行里的值被改了，通过缓存一致性协议（MSI MESI(intel的） MOSI Synapse Firefly Dragon等）
为了避开缓存一致性协议，有一种变成叫做“缓存行对齐”编程，比如jdk7里有很多变量用7个long（8字节）填充，再声明变量，再用7个long填充，保证该变量在一个缓存行里，读取就快了。而jdk8有@Contended注解，在声明变量的时候，加上这个注解，jvm就保证这个变量单独放到一个缓存行里。jvm要加 -XX:-RestrictContended注解才起作用。
超线程CPU
我们的一个ALU一次只能执行一个线程，如果是单线程，cpu在运算时需要把数据和指令拿到Registers和PC里进行运算，那么其他的线程再运算时就需要清除数据和指令，把需要计算的拿进来计算，完成后再把原来的没计算完成的数据和指令再拿进来计算。就比较慢。比如四核八线程，就是一个ALU对应两组PC和registers，一次性把两个线程里的数据和指令拿到不同组的registers和PC里，cpu在计算的时候，ALU只需要在不同的组直接切换就能完成计算，就快得多。
电脑开机过程
电脑开机过程

NUMA
Non Uniform Memory Access的简称，对应的是UMA(Uniform Memory Access)。
UMA，一般的PC是CPU、内存插在主板上固定的地方，所有内核都去这个地方访问内存。
NUMA，有的服务器的架构，在硬件上分成某租CPU有物理上离他最近的内存，物理离得近就访问快，内核优先访问这部分内存，找不到对应的资源了再去其他的内存里访问。
乱序执行
cpu执行不同的指令的时间片消耗不同，为了提高执行效率，cpu会在某种规则上不按照代码的顺序执行。如果要顺序执行，cpu层面，intel有原语(Mfence->Mixd Fence->混合栅，IFence->Input Fence->读栅，SFence->Save Fence->写栅来锁定某块资源(比如内存)来保证不同指令对这块资源的顺序执行)，很遗憾，jvm因为是跨硬件平台的，所以只能用跨平台的lock指令来实现，比如java的volatile关键字，是用四个内存屏障（LoadLoad,LoadStorage,StorageLoad,StorageStorage）来实现的。比如一个读和一个写的指令存在并发，jvm在这个内存前后加上两个内存屏障，保证如果写的执行在前，就一定保证写的指令执行完了后续的读写指令才能访问这块内存，从而保证内存可见性，也防止了乱序执行。
微内核
传统的PC即，内核程序需要管理硬件、内存、进程调度等，微内核就把传统的内核的这些工作分开，只关注与程序调度，效率高，可插拔，模块化，华为的HM就是这么干的。
用户态与内核态
在最原始的DOS系统的时候，内核和用户程序都可以访问计算机的资源，比如硬件的第一扇区(Master Boot Record，放内核程序的地方)，用户程序可以改这个地方，电脑就被黑了，黑客盛行。现在的linux内核分为内核态和用户态，内核态管理硬件等，用户程序想要操作硬件，必须通过内核程序取访问，而有些敏感的资源用户程序是无法访问的，保证系统安全。
进程线程纤程
以a.exe程序执行为例，a这个程序是放在磁盘里的，双击后就load到内存里，操作系统分配了一个这个程序的资源空间，即开启了一个进程。再双击一次a，在a这个程序不要求一个操作系统只有一个程序的前提下，又分配给给a另外的资源，有开启一个进程。这两个进程有独立的内存空间。
a程序代码里不只一个线程，在cpu运算过程中，在这些线程之间切换，即线程调度，a程序里的多个线程共享a这个进程的内存空间。
多线程高并发的程序运行过程中，需要频繁的切换用户态和内核态，硬件上，单线程的cpu需要频繁的清除寄存器(Regiesters)和程序计数器(Process Counter)，多线程的cpu需要在这些Registers和PC之间切换，大部分的时间小号在切换用户态和内核态。所以有了只在用户态运行的线程，即纤程，当然，不能切换成内核态，所以纤程适用于计算时间短但是cpu占用很高的运算。
开辟一个线程大概占1M内存，开辟一个纤程序占4K内存，开10万个线程电脑可能卡死，开10万个纤程电脑运行正常。
目前内置纤程序的语言：Kotlin、Scala、Go、引用了特定库的Python，jdk在实验阶段的有（openJdk+loom）。
中断
进程有实时进程和普通进程，实时进程(优先级1～99)的优先级永远比普通进程高(-20~19)，进程调度的时候优先执行实时进程。
默认进程调度算法。CMS（Completely Fair Scheduler，按优先级分配cpu时间，记录每个进程的执行时间，如果一个进程的执行时间不到他应该分配的时间，在下一次调度时优先执行）绝对公平算法和RR（Round Robin，每个进程执行时间一样，轮换这执行）轮循算法，优先级有差异的用CMS，同样优先级的RR。
中断分为硬中断（来自硬件，比如键盘和网络）和软中断（来自程序内部，比如程序里调用read()指令），优先级高于除了内核不允许的某些实时进程之外的所有进程。是一个信号，在内核里就是int 0x80，所有的内核接口最多五个参数，通过ax寄存器传入中断调用好（比如一个read中断），bx、cx、dx、si、di传入参数，计算万了再把结果写回ax寄存器，一层一层返回给程序。
僵尸进程和孤儿进程
linux的进程标记是PCB，假如父进程fork了多个子进程，子进程的PCB由父进程管理，如果子进程退出了，系统回收了子进程的资源，但是父进程还运行，意味着子进程的PCB还在，ps命令能开到这些进程还在（被打了defunct的进程），这些子进程就叫做僵尸进程。不可以kill掉，但是可以kill掉父进程。假如父进程死了，子进程还在，那么父进程会把子进程的PCB交给他的父进程（所有进程的父进程id号是1，带图形界面的进程的父进程是14多少，但是这个14多少的父进程还是1），那么这些子进程就是孤儿进程。可以kill掉孤儿进程，
反正进程执行完了会被回收分配的资源，不影响性能，kill不kill的无所谓。

总结

以上是生活随笔为你收集整理的java需要知道的计算机底层的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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