计算机底层原理

1、计算机组成

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CPU = ALU + PC + Registers + cache

• ALU ——> 运算单元/算数逻辑单元
  • 计算寄存器的数据，然后写回到内存
• PC（program counter） ——> 指令寄存器 /程序计数器
  • 存放下一条指令的地址
• Register ——> 寄存器
  • 在PC找到指令的地址，读进指令后，发现该指令需要数据，将数据放到寄存器（registers）
• cache ——>缓存（redis）

CPU通过总线从内存中读数据

2、存储器的层次结构

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从L0到L4，速度大概相差100倍

• 多核CPU
  • 一个GPU中存在多个核，每个核中包含1级、2级缓存。所有核共享3级缓存。
  • 在进行数据查找时，查找顺序为L1、L2、 L3.
• 超线程
  • 一个运算单元，两组线程对应的资源单元（核中包含两组PC、两组寄存器），来提高效率。
  • 四核八线程：就是有4 个ALU，每个和里有两组寄存器和PC

3、cache line 的概念 缓存行对齐 伪共享

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• 计算机通过内存总线从内存读数据，是一块一块的读取的，每一块叫cache line
  • 英特尔的CPU，一个cache line 也就是一个缓存行是64个字节（bite）
• 当ALU计算需要数据时（比如是数据x），依次在L1、L2、L3中寻找, 没有就会去内存读取，将“x,y"这一缓存行同时读进来，这时，当ALU处理完数据x后，需要y时，发现y和x被同时读进内核了，这时的运算速度会大大提升
  
• 这时存在一个问题，缓存保持一致
  • 针对两个线程使用同一缓存行的数据，一个在使用其中的x， 一个在使用y，如果其中一个对x进行了更改，要求另一个线程必须可见，通知另一个线程可见的这种操作就叫 缓存一致性协议，保证缓存行的数据在不同线程中保持一致.
    
• 缓存行的4中状态MESI：
  • Modified：被修改
  • Exclusive：独享
  • Shared：分享，只读不写
  • Invalid：失效

这时的一个流程就是，当一个线程中的x被修改，此时该缓存行的状态会被更改为Modified，内核会通过缓存锁去告知另一个线程，他的缓存行Invalid，它需要从内存中重新读取。

4、CPU乱序执行的概念

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比如在多核CPU同时运行时，是不允许乱序执行的，这时Java使用volatile来实现不允许乱序执行

• volatile的核心两点：
  • 线程之间的可见性
  • 禁止CPU的乱序执行
• cpu的乱序执行
  • 在JVM层级是要通过内存屏障来实现，来防止它乱序执行
  • 到虚拟机这个层级、C++这个层级，实际上是通过一条汇编指令，通过lock这条指令来完成的

4.1 一道面试题：DCL（Double Check Lock双重检查锁）单例模式要不要加volatile

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先判断INSTANCE是否为空，然后上锁，然后再次检查INSTANCE是否为空，这是为了防止该线程在上锁期间其他线程执行了INSTANCE = new Mgr06()
- DCL（Double Check Lock双重检查锁）单例模式要加volatile

• 对象的创建过程

  • 0 new #2 //在内存中申请一个对象，分配了一块内存，内存中的m为初始值0。
  • 4 invokespecial #3 //执行该句后，m被赋值为8。
  • astore_1 //执行该句后 t 和 才会和真正的对象建立关联。
    

• 若不使用volatile进行禁止指令重排序，则在DCL单例new对象时，发生指令乱序，先使变量和内存建立连接，然后没等进行下一步的初始化时，下面的程序就进行了变量是否为null的判断，并使用这个半初始化状态的对象继续向下执行，导致程序出现错误。
  内存屏障

• JVM级内存屏障：
  

  • JSR内存屏障
    • LoadLoad屏障：
    • StoreStore屏障：
    • LoadStore屏障：
    • StoreLoad屏障：

• 硬件级内存屏障：

4.2 合并写技术

• 计算单元AUL和L1缓存中间还有一个缓存，叫WC_buffer（WriteCombing, 合并写），它只有4个字节。
• 合并写：当CPU需要写回一个值到内存或缓存时，内存会首先把这些值存在WC_buffer中，这个缓存四字节满了之后，一次性把这四个字节写到L1中。

5、程序运行的底层原理

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• 程序：qq.exe, PowerPoint.exe
• 进程：资源分配的基本单位。（程序启动、进入内存。比如，双击qq.exe，这时就会将磁盘中的数据（指令和代码）传给内存，）
• 线程：程序执行的基本单位（从main线程开始执行）
• 程序如何开始运行
  • CPU读指令 PC，读数据 Register， 计算 ALU ，回写，-> 下一条
• 线程如何进行调度
  • 线程调度器（操作系统、OS）
• 线程切换的概念
  • Context Switch CPU保存现场 ，执行新线程，恢复现场，继续执行原线程这样的一个过程
    用户级线程（JVM线程）和操作系统级线程（也就是内核级线程）
• 一个JVM线程对应一个内核级线程 1：1
• go语言中叫协程，它和内核级线程是m:n的关系，且m远远大于n

6、锁

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6.1 锁的概念

• 锁的概念：对线程上锁就是，只有等这个线程执行结束，别的线程才能执行
• 不持有锁的线程怎么办：忙等待（自旋锁，也叫轻量级锁），等待队列（需要经过操作系统调度，也叫重量级锁）
  • 自旋锁一定比重量级锁的效率高吗？不是，当线程执行时间长，且线程多时，选择重量级锁，等待系统的调度

6.2 synchronized关键字

synchronized从重量级锁到自旋锁到现在更加复杂的锁

6.2.1 自旋锁的核心——CAS（compareAndSwap ）

• 在进行m++时，从内存读取数m给ALU，然后在往回写入时判断，要往回写入的数和内存中的数是否一样，如果不一样，将其存入，一直运行到两个数相同
  
• 存在的两个问题：（针对多核cpu，单核不存在这个问题）
  • ABA问题： （我们将内存的0送入ALU计算为1，现在将1重新写入内存，这时进行判断，内存是0与1不等。在判断时存在一个问题，判断时的0是读进ALU的0么，这个0可能是经历了其他线程变成8后又变为0，这就是ABA问题）
    • 解决方法：为其加个版本号（也就是为内存0加个版本号）
  • CAS修改值时候的原子性问题：（我们将内存的0送入ALU计算为1，现在将1重新写入内存，这时进行判断内存0还是0，这是将内存0赋值为1。但是现在出现一个问题就是，在判断0是0后，0变1之前，内存0被另外一个线程赋值为8了，这时候怎么办），这时候需要保证他是原子性的，怎么保证的呢？
    • lock cmpxchg 指令 //汇编指令 CPU采用CAS的方式去访问内存的指令
      • lock 是用来锁总线， 来保证cmpxchg的原子性

6.2.2 偏向锁

• 偏向锁的概念：
  • 偏向锁不是锁。是第一个线程过来，不用启动锁竞争，就能使用，但是只要有其他资源过来竞争,就要进行锁升级
  • 他是为了那些在百分之七八十的时间，只有一个线程在运行synchronized的代码所设计的一把锁
  • 如果没有偏向锁，每次即使只过来一个线程也要启动锁竞争，过于浪费时间。
  • 深入理解Java锁升级：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁 https://blog.csdn.net/qq_40722827/article/details/105598682
• JOL(Java Object Layout, Java 对象布局)
  • Object o = new Object()
    • new一个新对象它占16个字节：
      • markword（8个字节）
      • classpointer（4个字节）：new出来的对象属于哪一个类的，也可以认为他是只想object.class的指针
      • 后面4个字节是，存放成员变量，如果没有，留着对齐（对齐：如果不能被8整除，就变成能被8整除）