并发编程基础：计算机组成原理及操作系统相关基础知识总结

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计算机组成原理基本知识：

一：CUP

• Core：核心，既CPU的内核，cpu中间的核心芯片，单晶硅制成。cpu可分为单核和多核cpu。 每一个核都是独立的运算单元，可以完成独立的计算，接收指令，处理数据等。
• 单核cup： cpu只有一个用来处理数据的核心。
• 多核cpu：cpu中有多个进行处理数据的核心。另外，cpu核数和性能的关系是呈 线性增长的。
• 赫兹（HZ）：代表cpu的频率。cpu是以高低电平的转换来工作的，听过一个频率的概念，来表示cpu的性能。例如 2GHZ表示，每秒进行高低电平切换20亿次。
• 目标：要学会充分理解和利用cpu的多核性能，需要懂得怎样去使用，什么样的场景下去使用，怎么样去利用cpu性能。
• （1）CPU的功能
• 控制程序的顺序运行，程序实际上就是串行的一系列有序的指令。
• 产生完成每一条指令所需的控制指令。（译码器）
• 对各种操作加以时间上的控制。（时序发生器）
• 对数据进行逻辑运算和逻辑加工。（运算器）

（1）cpu内核的主要组成

控制器：协调和控制计算机运行。

• 程序计数器：主要用来存储下一套指令的运算地址。cpu运行时，就是不断在程序计数器中取出指令，并执行。
• 时序发生器：主要负责发出信号的脉冲，产生频率稳定的电信号，每个步骤都有时间的限制，时间的限制就是通过电信号的频率来进行控制的。
• 指令译码器：负责把指令转换为相关的电信号的译码器件。
• 其他各种寄存器：暂时的存储一些数据。

（2）运算器：数据的运算加工。

• 数据缓冲器：包括数据输入缓冲，输出缓冲，负责数据的暂时缓冲。
• 通用寄存器：
• ALU：负责计算的元器件。
• 状态字寄存器等：负责进行计算状态的保存。

（2）高速缓存：

• 处于存储器的部分，后面介绍。

二：存储器

（1）存储器的存次结构

• 1.缓存： 上面提到的高速缓存等，速度最快，价格高。
• 2.主存：主要存储， 内存条，即时存储，断电数据丢失。速度始终，价格适中。
• 3.辅存：磁盘，SSD等。断点依然可以保存数据。速度低，价格低。
• 出现层次性结构的原因：局部性原理。 是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。就是2-8定律，20的存储区域，将会占用CPU访问的80%的时间。
  
• 层次结构实现原理：在cpu与志村之间增加一层速度快（容量小的）Cache（缓存），解决主存速度不足的问题。

操作系统基本知识

• 一和二是 B站上的网课学习内容笔记。可以直接跳到三。

一: 相关基本概念

• job（作业）：是指，计算机用户在一次上机过程中眼球计算机系统为其所做工作的合集；作业中每项相对独立的工作称为：作业步
• Thread（线程）：程序的一次相对独立的运行过程（动态过程），是系统调度的最小单位。
• 进程：是系统资源分配的最小单位，也就是说，进程是系统中拥有资源的最小实体。一个进程可以包括多个线程，线程被调度，使用进程的资源。
• Virtual Memory（虚拟存储）：是进程的逻辑地址空间把实际的内存空间进行虚拟扩大。 也就是把部分外存空间，（运用某种手段或算法）虚拟为内存使用，让用户感觉 内存空间变大了
• File（文件）：命名了的字节流（对一团字节流进行命名，就可以说这团字节流是你的一个文件）

二：相关系统

• 单道批处理系统：外存上是一批作业在排队（批），内存上只有一个作业执行（单道）
  
• Monitor早期的在内存中的操作系统，来实现将一个作业从 外存调度到内存进行执行（通过算法，决定将那个作业调用到内存）。
• 过渡（单到多道）：浪费资源，当执行io等操作时，cpu只能等待io结束，才能接着执行，利用率低下。
• 多道批处理：
  
• 系统允许多个任务进入内存（1.就涉及到内存划分，多个任务如何进入到内存），在内存还是要排队（等cpu资源）
• 总结： 外存中作业配对等待进入内存，多个任务进入内存，还要排队等待 cpu执行它。

（1）多道程序中遇到的问题：

• 同步（协调）也叫进程同步：例如：计算进程a，打印进程b，打印进程b需要等计算进程a计算出来结果，通知b后，才能打印。

• 互斥：比如打印机，只允许一个进程使用完了，才能另一个使用
• 不确定性：不受环境配置影响，执行结果是确定的，不能是可变的。
• 死锁：竞争资源，卡死。

（2）操作系统分层结构风格

• 就像是计算机网络上面的 OSI7层结构。 每一层向上层提供服务，又隐藏自己，就好像直接是 网络层到网络层传输，忽视下层。 操作系统，我们在操作系统的平台上开发，也是使用操作系统的提供接口，但不在乎这些接口，只管自己这层对软件的开发，下层是透明的。
• Liunx：是一个分块的操作系统。（因为有众多人分块的实现各个部分功能）
• 模式：简单地说，就是程序运行过程中使用的，由硬件体系结构提供的CPU特权模式。
  
  
• 用户态，内核态：用户使用 用户模式（核外子系统），调用核心子系统，但是 核心子系统，不会去调用你写的程序。

进程

• 进程的构成：程序+数据+PCB（进程控制块，系统利用PCB来描述进程的基本情况和活动过程，进而控制和管理进程。使并发执行的每一个程序（含数据）都能独立的运行）
• 目的：使程序可以并发的执行。但是会出现资源竞争等问题，需要合理解决。
• 进程状态之间的转换：
  
• 交换技术：（在linux磁盘分区时，有这样的分区）
  
• 程序的挂起状态： 我猜测虚拟机的挂起就是这样的状态。 挂起就是运用到 交换技术，将程序和数据从内存转移到外存中去。
  

三: 操作系统的基本功能：

（1）操作统一管理计算机不同的资源：

• 根据上节的计算机组成内容，可以抽象出很多不同的资源。
• 1.处理器资源
• 2.IO设备资源
• 3.存储器资源
• 4.文件资源
• 管理方式：驱动，比方说使用网卡等，都需要安装驱动，是一种贴近硬件的一种程序，是集成在操作系统内部的，内核态中的。

（2）实现对操作系统资源的抽象

• 1.有了操作系统，用户在编程的时候就不需要面向硬件接口进行编程(面向硬件编程是相关驱动的工作)， 开发人员编写程序，一般都是在操作系统之上进行编程的，使用的计算机资源，都是经过操作系统抽象出来的。
• 举例子：IO设备管理软件，虚拟设备。开发者再使用IO设备的时候，写的其实是虚拟的设备，实际的设备是由驱动去完成的，接口是由驱动或者是操作系统提供给我们的。文件管理软件（也称为文件系统）：读或者写一个文件的时候，我们不需要知道文件的具体位置，操作系统会提供给我们一个接口，和一个文件的句柄（可以称之为虚拟的文件）。在程序里只需要对这个虚拟的文件进行读或者写，在硬件的层面，就会自懂的帮我们完成硬件的保存和读取。从程序开发者的角度。这些硬件资源都被操作系统所抽象出来了，实现了对计算机资源的抽象，我们实际上操作的都是对计算机资源的一个抽象，并不是实际的操作底层的硬件。

（3）操作系统提供了用户与计算机之间的接口

• 操作系统提供了 系统调用，命令行，图形窗口三种形式的接口调用。
  
• 系统调动： 是比较专业的接口，需要有一定的开发基础。比如平时的创建进程（pthread），打开文件，网络发送（socket），都是系统调用。使用操作系统给开发人员提供的接口。

四： 操作系统的用户态与内核态

• 由来：
  

（1）内核态： 专门用来运行内核态相关的程序

• 内核空间：存放的是内核代码和数据

• 进程执行操作系统内核的代码

• cpu可以访问内存所有数据，包括外围设备

• 支撑功能
  

• 资源管理能功能
  

（2）用户态：用来运行用户自己编写的一些程序。

• 用户空间： 存放的是用户程序的代码和数据

• 进程在执行用户自己的代码（非系统调用之类的函数）

• CPU只可以访问有限的内存，不允许访问外设。

• 用户态切换到内核态的三种方法：系统调用，异常中断，外围设备的中断。

• 外围设备的中断：一般是指磁盘，网卡，键盘等。**举例说明：**例如cpu需要读取磁盘上的数据， cpu和磁盘的速度差别很大，发出读写信号后，cpu是不可能去等磁盘读取数据完成的，这是就会出现一个叫做DMA的设备，出现在两者之间。cpu在发送了读取信号后就去干别的事情了，等到dma设备读取完成后，发送中断信号，这是CPU才会从用户态切换到内核态来处理DMA的数据。
  

四： 并行与并发

• 并发：是指具有同时处理多个任务的能力。（同一时间间隔发生）
• 并行：是指真正可以在同一时间，处理多个任务的能力。（同一时间发生）
• 并发系统：既有并行，也有并发，一般通常叫做并发系统。

操作系统中的并行与并发

• 单核cpu：中只能够并发的执行，也就是同一时间只能执行一个任务，串行执行。
• 多核CPU：例如四核cpu。拥有四个核心。可以真正的同时执行四个程序。四核之间任务并行执行，每个核里又是很多任务并发执行！
  
• 分时系统： 给任务分配时间片，一段时间内轮流执行。

五：同步，异步

• 一个函数，调用另一个函数，可能要等另一个函数准备好数据。调用方一直等待对方准备数据，就是同步。
• 异步， 被调用函数，直接返回，告诉调用函数，你先去忙其他的事吧，等我准备好再通知你，然后继续准备数据。准被完成后，在告诉调用函数去读取数据。调用函数不需要等待。
  
• 同步和异步，强调的是消息通信机制！
• 阻塞和非阻塞：强调的是程序在等待调用结果时的状态。（例如I/O模型中的阻塞和非阻塞）

六：操作系统进程

• 目的：多道程序环境下，使程序能够并发执行。隔离资源，运行环境，提升资源利用率。
• 进程是系统进行资源分配和调度的基本单位。
• 组成：程序段，相关数据段和PCB三部分构成进程实体（又称进程映像）。
• 进程的状态转换，请参考上面二的介绍。
  
• PCB（进程控制数据块）：属于操作系统内核的一种数据结构，用来描述和控制进程运行的通用数据结构。包括：进程标识符（用户程序起的进程名字），内部标识符（进程号），处理机状态，进程调度信息，进程控制信息等
  
  
• 进程用户空间也保存着一些信息：
  

进程调度算法

• 非抢占式调度， 当前进程主动方放弃CPU
• 抢占式调度： 当前进程被动放弃CPU，允许终端当前执行的进程（进程拥有优先级）
  就绪队列：
• 先来先服务算法：谁先来先服务谁，知道运行好了，自动退出再换下一个。
• 短作业优先算法：预估进程剩余所需运行时间，时间短的优先调度，要求就绪队列规模较小。时间估算也不一定准
• 最高响应比算法：
  
  等等还有很多，比如有时间片轮转，优先级调度算法。

用户级线程：

• 切换成本低，与内核线程之间是多对一的。由用户自行调度，内核无法干涉。

• 内核线程阻塞，所有线程无法运行
  

• 组合方式线程：管理工作既发生在内核态也发生在用户态。多对多，不会因为内核线程的阻塞，导致所有用户态线程不能执行。
  

常见的编程语言的线程模型

• C/C++语言：使用原生的操作系统线程
  

• java和上面的一样，用户态，内核态1对1.
  

• javascript：主要运行在浏览器的，单线程语言。 可以通过async等关键字实现用户态的线程，一对多
  

• go语言： 典型的组合方式，线程调度模型：G-P-M。G代表协程，用户级线程，M内核级线程，P就是G和M之间的调度对象，用来调节G 和 M之间的关系。
  

• python： 组合方式的实现方式
  

补充探究的内容：用户态线程，内核态线程

• 可以对这些问题进行考究：下面是里面的图片
  
  
  
  
• 后面关于书中介绍的线程的创建等，就不去截图了。

进程与线程的上下文切换

• 什么是上下文：cpu切换执行任务时，需要得到的信息。 就两个人聊天，突然加进来另外一个人，他中途到来，不知道我们上文说了什么，所以也听不懂我们后面要说啥。

寄存器级别上下文：

• 保存在CPU核心里面的

用户程序级别上下文

• 主要保存在主存中，和当前运行的进程，用户级的数据，包括程序的逻辑等。

系统级别的上下文

协程

协程就是用户级的线程。

• 平时所说的16核32线程，指的是内核线程。