程序员需要了解的计算机底层知识之硬件基础知识

CPU

CPU的制作过程

CPU的制作过程：https://haokan.baidu.com/v?vid=11928468945249380709&pd=bjh&fr=bjhauthor&type=video
CPU是如何制作的（文字描述）https://www.sohu.com/a/255397866_468626

CPU的原理

计算机需要解决的最根本问题：如何代表数字
晶体管是如何工作的：https://haokan.baidu.com/v?vid=16026741635006191272&pd=bjh&fr=bjhauthor&type=video
晶体管的工作原理：https://www.bilibili.com/video/av47388949?p=2

汇编语言（机器语言）的执行过程

汇编语言的本质：机器语言的助记符其实它就是机器语言
计算机通电->CPU读取内存中的程序（电信号输入）->时钟发生器不断的震荡通断电->推动CPU内部一步一步的执行（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/图形)

量子计算机

量子比特，同时代表1和0，如果能够实现，计算机计算力得到数以千计的提升

CPU的基本组成

PC->program counter 程序计数器（记录当前指令的位置）
ALU-> Arithmetic & Logic Unit 运算单元
Registers->暂时存储cpu计算所用的数据
CU -> Control Unit 控制单元
MMU -> Memory Management Unit 内存管理单元
Cache

缓存

一致性协议（MESI）：https://www.cnblogs.com/z00377750/p/9180644.html

MESI协议中的状态

CPU中每个缓存行（cache line）使用4种状态进行标记（使用额外的两位（bit）表示）

M：被修改（Modified）

该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，并且是被修改过的（dirty），即与主存中的数据不一致，该缓存行中的内存需要在未来的某个时间点（允许其它CPU读取请主存中相应内存之前）写回（write back）主存。
当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成独享（exclusive)状态。

E：独享的（Exclusive）

该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，它是未被修改过的，与主内存的数据一致，该状态可以在任何时刻当有其它CPU读取该内存时变成共享状态（shared)。
同样的，它是可以被修改的，状态变为（Modified）被修改的。

S：共享的（Shared）

该状态意味着该缓存行可能被多个CPU缓存，并且缓存行数据与主存一致，如果其中一个缓存行被修改，那么其他的CPU缓存状态变为（Invalid）无效的

I：无效的（Invalid）

该缓存是无效的（可能有其它CPU修改了该缓存行）。

缓存行

缓存行越大，局部性空间效率越高，但是读取效率越低
缓存行越小，局部性空间效率越低，但是读取效率越高
工业实验取舍后，目前来说，多用64字节

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

JDK7中，很多采用long padding提高效率
JDK8，加入了@Contended注解（实验）需要加上：JVM -XX:-RestrictContended

乱序执行

https://preshing.com/20120515/memory-reordering-caught-in-the-act/

禁止乱序

CPU层面:intel->原语(lfence sfence mfence)或者锁总线
JVM层面：8个happens-before原则和4个内存屏障
as-if-serial : 不管硬件什么顺序，单线程执行的结果不变，看上去像是serial

合并写（不重要）

Write Combining Buffer
一般是4个字节
由于ALU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该线程所在CPU的最近内存