java程序员应该熟悉的底层知识

不求甚解，观其大略！

汇编语言（机器语言）的执行过程

汇编语言的本质：机器语言的助记符号，就是机器语言

​ 比如 move --> 10001000 在汇编语言中的move在执行的时候就会在对应的表中找到对应的记录并变成10001000 的value值

计算机通电–>CPU读取内存中的程序(电信号输入)–>时钟发生器不断震颤通电–>推动CPU内部一行一行的执行(执行多少步取决于指令需要的时钟周期)–>计算完成–>写回(电信号)–>写给显卡输出(sout，或者图形)

量子计算机

量子比特，同时表示1,0

其实我不太理解为什么同时表示1和0就能那么夸张的比只表示1或者0快

不是代表一个固定态，而是代表了所有的可能态。

传统的计算机都是使用二进制的，一个比特就是0或者1，而量子比特也是使用二进制，但它特别就在一个量子比特可以同时是0或者1，这就叫量子叠加。所以，两个量子比特就可以同时表示00、01、10、11这四个值。

具体就不再深入了，不是特别能理解。但是到此为止。

CPU的组成

PC -> Program Counter 程序计数器（记录当前指令地址）

Registers -> 暂存器，暂时存储CPU计算要用到的数据

ALU -> 逻辑运算单元 Arithmetic & Logic Unit

CU -> 控制单元 Control Unit

MMU -> 内存管理单元 Memory Management Unit

缓存

缓存一致性协议：

https://www.cnblogs.com/z00377750/p/9180644.html

MESI协议

CPU中每个缓存行都使用4中状态进行标记（额外使用2位）

M：被修改（Modified）

该缓存行只被缓存在该CPU这个呢，并且是被修改过的（dirty），即与主存中的数据不一致，该缓存行需要在未来的某一个时间点（允许其他CPU读取主存中相应内存之前）写回到主存 。当被写会到主存之后。状态会改为E（独享的）

E：独享的（Exclusive）

该缓存行只被缓存在该CPU中，他是未被修改过的（clean），与主存中的数据一致。该状态可以在任何时刻当有其他CPU读取时变成共享状态S（shard）

同样的，当CPU修改了缓存行中的内容时，该状态可以变成M（被修改）状态

S：共享的（Shared）

该状态意味着该缓存行被多个CPU缓存，并且各个缓存的数据与主存数据一致（clean），当有一个CPU修改缓存行中的值。其他的CPU中的该缓存行可以呗作废（变成无效状态I（invalid）

I：无效的（invalid）

该缓存是无效的（可能是其他的CPU修改了该缓存行）

CPU读请求：除了invalid状态，其他的状态都能满足CPU的读请求，如果是invalid，那么会在主存中读取，并且变成shared或者exclusive

CPU写请求：只能在modified或者exclusive状态下能进行，如果是shared状态，需要变成invalid（不允许不同CPU修改同一个缓存行，即使数据处于不同的地方）。改操作通常使用广播的方式来完成

缓存能将任何一个非M状态直接作废，但是如果是M状态，那么必须先写会到主存

如果有CPU读取M对应的主存（M的缓存行负责监听），那么会先将M写会到主存在执行其他CPU读取M对应的主存的操作

处于S的缓存行会监听该缓存行变成invalid的操作或变成E的操作，并且会把自己的缓存行变成invalid

处于E的缓存行会监听主存中对应的位置，如果有其他的CPU读取会将状态变成shared

缓存行

缓存行越大，局部性空间效率越高，但是读取时间越慢

缓存行越小，局部性空间效率越低，但是读取时间越快

Intel CPU选取了一个折中值 64字节

package com.example.demo;

/**
 * 测试缓存行 64字节 位于同一个缓存行
 *
 * @Author: xiaobin
 * @Date: 2020/5/26 12:58
 */
public class T03_CacheLinePadding {

    public static volatile long[] arr = new long[2];

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10_0000_0000L; i++) {
                arr[0] = i;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10_0000_0000L; i++) {
                arr[1] = i;
            }
        });

        final long start = System.nanoTime();
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println((System.nanoTime() - start)/100_0000);
    }

}

package com.example.demo;

/**
 * 位于不同缓存行
 *
 * @Author: xiaobin
 * @Date: 2020/5/26 13:02
 */
public class T04_CacheLinePadding {
    public static volatile long[] arr = new long[16];

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10_0000_0000L; i++) {
                arr[0] = i;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10_0000_0000L; i++) {
                arr[8] = i;
            }
        });

        final long start = System.nanoTime();
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println((System.nanoTime() - start)/100_0000);
    }
}

但是我在以上跑，前者时间仅仅是后者时间的1/3。比较奇怪

缓存行对齐

对于有些特别敏感的数字，会存在线程高竞争的访问，为了保证不发生伪共享，可以使用缓存行对齐的编程方式

在jdk1.7中，很多采用long padding提高效率。就是前面加8个long的声明，后面加8个long的声明

jdk1.8加入了@Contended注解。需要加上：JVM -XX:-RestrictContended

乱序执行

计算机为了执行效率，可能会发生指令重拍，没有依赖关系的命令可能重新排序

禁止乱序

CPU层面：Intel -> 原语（mfence Ifence sfence）或者锁总线

JVM层次：8个hanppens-before原则 4个内存屏障（LL LS SL SS）

as-if-serial:不管硬件什么顺序，单线程执行的结果不变，看上去就像serial

合并写

Write Combining Buffer

一般是4个字节

由于ALU的速度太快，所以在写入L1的同时，写入一个WC buffer，满了之后，再直接更新到L2

NUMA

Non Uniform Memory Access

ZGC -NUMA aware

分配内存会优先分配给靠近CPU的内存

OS

启动过程

通电 -> bios uefi工作 -> 自检 -> 到硬盘的固定位置加载bootloader（一般是磁盘的第一个扇区）-> 读取可配置信息 -> CMOS

内核分类

微内核 -弹性部署 5G 物联网（The Internet of Things，简称lot）

宏内核 -pc phone

外核 -科研 实验中 为应用定制操作系统（不懂）

用户态和内核态（重点）

CPU分不同的指令级别

Linux内核跑在ring 0级，用户程序跑在ring 3级，对于系统的关键访问，需要经过kernel的同意，保证系统的健壮性

内核执行操作 --> 200多个系统调用 read write fork…

JVM --> 站在OS的角度看，就是一个普通的进程

进程 线程 纤程 和中断

面试高频：进程和线程有什么区别

答案：进程就是一个程序运行起来的状态，线程就是一个进程中的不同执行路径

专业回答：进程就是OS分配资源的基本单位，线程就是执行调度的基本单位。分配资源最重要的就是：独立的内存空间，线程调度执行（线程共享进程的内存空间，没有自己独立的内存空间）

纤程：用户态的线程，线程中的线程，切换和调度不需要经过OS

优势：

1. 占用资源少 OS：线程 1M 纤程：4k
2. 切换比较简单
3. 可以启动非常多10W+

目前支持内置纤程的语言：go kotlin scala python(lib)

Java中对于纤程的支持：没有内置，盼望内置

利用Quaser库(不成熟)

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>

    <groupId>mashibing.com</groupId>
    <artifactId>HelloFiber</artifactId>
    <version>1.0-SNAPSHOT</version>

    <dependencies>
        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/co.paralleluniverse/quasar-core -->
        <dependency>
            <groupId>co.paralleluniverse</groupId>
            <artifactId>quasar-core</artifactId>
            <version>0.8.0</version>
        </dependency>
    </dependencies>

</project>

package com.example.demo;

/**
 * @Author: xiaobin
 * @Date: 2020/5/26 19:18
 */
public class HelloFiber {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        Runnable r = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                calc();
            }
        };
        int size = 20000;
        Thread[] threads = new Thread[size];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i] = new Thread(r);
        }

        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i].join();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - start);
    }

    private static void calc() {
        int result = 0;
        for (int m = 0; m < 10000; m++) {
            for (int i = 0; i < 200; i++) {
                result += i;
            }
        }
    }
}

package com.example.demo;

import com.sun.xml.internal.ws.api.pipe.Fiber;

/**
 * @Author: xiaobin
 * @Date: 2020/5/26 19:23
 */
public class HelloFiber2 {
    public static void main(String[] args) throws  Exception {
        long start = System.currentTimeMillis();


        int size = 10000;

        Fiber<Void>[] fibers = new Fiber[size];

        for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {
            fibers[i] = new Fiber<Void>(new SuspendableRunnable() {
                public void run() throws SuspendExecution, InterruptedException {
                    calc();
                }
            });
        }

        for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {
            fibers[i].start();
        }

        for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {
            fibers[i].join();
        }

        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - start);


    }

    static void calc() {
        int result = 0;
        for (int m = 0; m < 10000; m++) {
            for (int i = 0; i < 200; i++) result += i;

        }
    }
}

目前是10000个fiber对应一个线程，还可以通过将其分成10份对应10个线程来提高效率

纤程的应用场景

纤程 vs 线程池 ：很短的计算任务，不需要和内核打交道，并发量高！

僵尸进程

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
        pid_t pid = fork();

        if (0 == pid) {
                printf("child id is %d\n", getpid());
                printf("parent id is %d\n", getppid());
        } else {
                while(1) {}
        }
}

子进程已经死了，并且已经回收了子进程的系统资源，但是父进程还只有子进程的引用

孤儿进程

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
        pid_t pid = fork();

        if (0 == pid) {
                printf("child ppid is %d\n", getppid());
                sleep(10);
                printf("parent ppid is %d\n", getppid());
        } else {
                printf("parent id is %d\n", getpid());
                sleep(5);
                exit(0);
        }
}

父进程死了，但是子进程还在，一般会挂到进程id为1的进程下，或者图形界面就会挂到图形界面的进程下

进程调度

2.6采用CFS调度策略： Completely Fair Scheduler

按照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

默认调度策略：

实时优先级分高低： FIFO （优先级高的先执行）优先级一样 RR（Round Robin）

普通进程：CFS

中断

硬件和操作系统内核打交道的一种方式

软终端（80中断） == 系统调用

系统调用： int 0x80 或者 sysenter原语

通过ax寄存器填入调用号

参数通过 bx cx dx si di传入内核

返回值通过ax返回

Java 读网络 -> Jvm read() --> c read() --> 内核空间 --> System_call()(系统调用处理程序) --> sys_read()

从汇编的角度理解软中断

yum install nasm

;hello.asm
;write(int fd, const void *buffer, size_t nbytes)
;fd 文件描述符 file descriptor - linux下一切皆文件

section data
    msg db "Hello", 0xA
    len equ $ - msg

section .text
global _start
_start:

    mov edx, len
    mov ecx, msg
    mov ebx, 1 ;文件描述符1 std_out
    mov eax, 4 ;write函数系统调用号 4
    int 0x80

    mov ebx, 0
    mov eax, 1 ;exit函数系统调用号
    int 0x80

编译：nasm -f elf hello.asm -o hello.o

链接：ld -m elf_i386 -o hello hello.o

一个程序的执行，要么处于用户态，要么处于内核态

内存管理

内存管理的发展历程

DOS时代： 同一时间只能有一个进程在运行（也有一些特殊的算法可以支持多进程）

windows 9x 多个进程装入内存，但是存在 内存不够 相互打扰

为了解决这两个问题，诞生了现再的内存管理系统：虚拟地址 分页装入 软硬件结合寻址

1.分页（解决内存不够用问题）内存中分成固定大小的页框（4K），把程序（硬盘）分成4K大小的块，用到哪一块就将哪一块加载到内存，如果加载的过程中内存满了，就将最不常用的那一块放到swap分区，把新的一块加载进来，这个就是著名的LRU算法

1. LRU算法 LeetCode 146题，头条要求手撕，阿里去年也要求手撕
2. Least Recently Used 最不常用
3. 哈希表（保证查找操作 O(1) + 链表（保证排序操作和新增操作O(1)））
4. 双向链表（保证左边指针指向右边块）

2.虚拟内存（解决相互打扰的问题）

1. DOS Win31 ...相互干掉，甚至干掉操作系统
2. 为了保证不相互影响，让进程工作在虚拟内存，程序使用的是虚拟内存，而不是直接的物理地址，这样A进程就永远不知道B进程的空间
3. 虚拟内存有多大？ 寻址空间 = 2^64 ，比物理内存大很多 单位是byte
4. 站在虚拟的角度，进程是独享整个内存空间的
5. 内存映射： 偏移量+段的基地址 = 线性地址（虚拟地址）
6. 线性地址通过OS +MMU 内存管理单元 （硬件 Memory Management Unit）找到物理地址

3.缺页中断（不是很重要）

1. 需要用到的页内存中没有，产生缺页中断（异常） ，有内核处理并加载

ZGC

算法叫做：Colored Pointer

GC信息记录在指正上，而不是记录在头部 immediate memory use

42位指针 寻址空间4T JDK13 -> 16T 目前为止最大16T 2^44

CPU如何区分一个立即数 和 一条指令

总线内部分为：数据总线 地址总线 控制总线

地址总线目前：48位

颜色指针本质上包含了地址映射的概念

内核同步机制

关于同步理论的一些基本概念

• 临界区（critical area）:访问或操作共享数据的代码段。简易理解synchronized大括号中的部分（原子性）
• 竞争条件（race conditions）：两个线程同时拥有临界区的执行权
• 数据不一致（data unconsistency )： 由竞争条件引起的数据破坏
• 同步（synchronized）:避免竞争条件
• 锁：完成同步的手段，上锁解锁必须具备原子性
• 原子性
• 有序性（禁止指令重拍）
• 可见性（一个线程内的修改，另外一个线程可见）

互斥锁 排它锁 共享锁 分段锁

内核同步的常用方法

1. 原子操作 -内核中类似于AtomicXXX，位于
2. 自旋锁 -内核中通过汇编支持cas，位于
3. 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，写的时候是排它锁
4. 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，适合长时间持有锁的情况
5. 读-写信号量（多个写，可以分段写，比较少用）(分段锁）
6. 互斥体(mutex) – 特殊的信号量（二值信号量）
7. 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)
8. BKL：大内核锁（早期，现在已经不用）
9. 顺序锁（2.6）： -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）
10. 禁止抢占 – preempt_disable()
11. 内存屏障 – 见volatile