计算机底层知识

计算机底层知识

JDK数据库

Derby

汇编语言本质就是机器语言、符号语言

CPU

包括：PC（Program Counter），程序计数器，记录当前指令地址；Redister，暂时存储计算机计算用到的数据；ALU，运算单元；CU，控制单元；MMU,内存管理单元；cache。

锁总线

缓存一致性，缓存锁。

cache line缓存行对齐，伪分享

对于有些特别敏感的数字，会存在线程高竞争访问，为了保证不发生伪共享，可以使用缓存行对齐的编程方式；JDK中很多采用long padding提高效率；jdk8加了@Contended’注解，需要加上jvm参数-XX:-RestrictContended；long p1…p7;cursor;long p8…p14。

MESI（Intel）

Modified；Exclusive；Shared；Invalid。

内存屏障

对某部分内存做操作前后添加的屏障，屏障前后的操作是不可以乱序执行的。
volatile底层使用lock addl实现，+0；addl 0x0 esp；
sychnoized使用lock compare and exchange；
请求顺序执行用ThreadPool中的singleThread；
light weight process轻量级进程。

禁止乱序

CPU:mfrence，lfence，sfence；原子指令：lock（x86），full barrier，硬件；
软件：内存屏障或者原子指令。
jvm层级：JSR内存屏障，load*store，storestore vola写 storeload；loadload vola读 loadstore。
8个happends before原则。
as-if-serial。

合并写（wc buffer）

指向L2；一般是四个字节。

ZGC MUMA

非统一内存访问，访问自己内存要比别的内存快得多。

内核分配

微内核；宏内核；外核。

进程，线程，纤程（Fiber），中断

进程就是一个程序运行起来的状态；进程是OS分配资源的基础单位，线程是OS执行调度的基本单位；线程共享进程的内存空间。linux称进程为task，内核中使用ProcessControlBlock，内核描述符，使用fork（内部使用clone（））和exec（）调用；
jvm中的线程与OS一一对应；
纤程好处：空间只有4K,线程是1M；切换比较简单。启动多个–kotiln，go，python，scala–quaser-core；
纤程用处：很短的计算任务，不需要内核。并发量高。是用户空间的，切换和调度不需要OS;和线程实现一样，纤程也有自己的纤程栈；内核线程是内核独有的线程；

僵尸线程

在父进程生成子进程后，子进程的PCB结构被维护，子进程退出，如果父进程没有被释放，子进程将成为一个僵尸进程。

孤儿进程

在子进程结束前，父进程已经退出，孤儿的进程将成为init的子进程，由1个进程维护。

多任务

抢占式，非抢占式，让出CPU（YIELDING）

进程类型

IO密集型；CPU密集型。

进程优先级

实时进程，调度策略：SCHED_FIFO和SCHED_RR(Round Robin)
普通进程，CFS.

CFS（Completely Fair Scheduler）

按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。

中断

硬件跟操作系统内核打交道的一种机制；硬中断：键盘，打印，网络，硬盘，时钟；软中断：和内核打交道，int 0x80H,sysenter；软中断80中断==系统调用；中断向量表，callback；系统调用int 0x80或者sysenter原语，通过ax寄存器填入调用号，系统通过bx、cx，dx、si、di传入内核，返回值通过ax返回；java读网络-》jvm read（）-》c库read（）-》内核空间-》system_call（）（系统调用处理程序）-》sys_read（）；

线程上下文切换

cpu通过分配时间片来执行任务，当一个任务的时间片用完就会切换到另一任务。在切换之前会保存上一个任务的状态，当下次再切换到该任务，就会加载这个状态。

阻塞非阻塞

用户执行read时候会调用系统的read，用户read的执行与否会决定是否阻塞。
内核操作会经过一个系统调用的过程，系统调用就会在寄存器装好多东西，然后通过80中断产生调用，然后通过ax拿结果。

内存管理

发展历程：单进程-》多进程（互相打扰，内存不够用）；分页（解决内存不够用）:内存页4k标准页，用到哪块加载那块，内存满了，会把最不常用的放到swap分区，进行交换分区–LRU（Lease Recently Used）算法（哈希表+链表）；
虚拟内存（解决互相打扰问题）;为什么使用虚拟内存：隔离应用程序（每个程序都有自己连续可用的内存，突破物理内存的限制，应用程序不需要考虑物理内存是否可用，是否能够分配）；保护物理内存，不被恶意程序访问；逻辑地址+段的基地址=线性地址（虚拟空间）在通过Memory Management Unit+os映射到物理地址；
为了保证互不影响，让进程工作在虚拟空间，程序中用到的空间地址不再是直接的物理地址，而是虚拟的地址，这样，A进程永远不可能访问到B进程的空间。
虚拟空间多大：寻址空间 64位系统2^64 ，比物理空间大很多，单位是byte；
站在虚拟的角度，进程是独享整个系统+cpu。
ZGC:GC信息记录在指针上，不是记录在头部，immediate memory use；算法叫做：colored pointer；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（41+4+2）颜色指针本质上包含了地址映射的概念。

内核同步机制

说明：java中的actomic使用自旋锁实现，java中的semaphore使用自旋锁；
保证原子性，有序性、可见性；
内核同步常用方法：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的cas，位于 3 读-写自旋，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-downread upread downwrite upwrite（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）vfock（）在子进程结束时通过完成变量叫醒父进程类似于(countdownlatch) 8 BKL:大内核锁（早期，现在已经不用） 9 顺序锁-线程可以挂起的读写自旋锁，序列计数器（从0开始，写时+1，写完释放+1），读前发现单数，类似于（copyonwritelate），说明：有些写线程，等待，读前读后顺序一样，说明没有写进程打断 10 禁止抢占-preempt_disable() 11 内存屏障-volatile
用户态和内核态：cpu分不同的指令级别，linux内核跑在ring 0级，用户程序跑在ring3，对于系统关键访问，需要经过kernel同意，保证系统健壮性。内核执行的操作，200多个系统调用sendfile read write pthread fork。jvm对os来说就是个普通程序。
基本概念：临界区（critical area）–访问或操作共享数据的代码段，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(synchronization)避免rece condition；锁–完成同步的手段（门锁，门后是临界区，只允许一个线程存在），上锁解锁必须具有原子性；原子性（像原子一样不可分割的操作）；有序性（禁止指令重排）；可见性（一个线程内的修改，另一个线程可见）；互斥锁；排它锁；共享锁；分段锁。