操作系统底层工作原理

爱被打了一巴掌 2023-09-28 15:59 16阅读 0赞

### 1、CPU指令结构 ###

CPU内部结构

*  控制单元
 *  运算单元
 *  数据单元

![在这里插入图片描述][2f7477325638448eaa3a5f839b344aeb.png]  
1）控制单元，给我们提供些指令进行控制， 那为什么要用到控制单元呢？像我们的程序代码中，经常要使用到if判断都操作时，就需要使用到控制单元中的指令。

2）运算单元，将运算的逻辑都放在运算单元。

3）存储单元，主要是用来运算结果临时存储的功能，存储单元主要由寄存器和CPU的缓存组成，是CPU中暂时存放数据的地方。存储单元存储了两部分东西，一部分是指令，一部分是数据。

4）内存，内存主要是存放指令和数据。java中的代码通过javac命令编译成class文件，字节码class文件被类加载器加载到JVM的元空间里面，元空间就有了这些指令和数据。

### 2、CPU缓存结构 ###

现代CPU为了提升执行效率，减少CPU与内存的交互（交互影响CPU效率），一般在CPU上集成了多级缓存架构，常见的为三级缓存结构  
一个CPU可以使多核的，一台电脑上也可安装多个CPU  
以下CPU是一个单CPU 4核（物理核）、8个逻辑处理器（一个物理核可以同时执行两个线程）、三级缓存（L1、L2、L3）  
![在这里插入图片描述][83b481a584a6443a85668d1216b04d9f.png]  
**1）为什么要在CPU上设计三级缓存呢？**  
**摩尔定律：每18个月CPU性能至少提升一倍。**  
内存的发展速度远远跟不上CPU的发展速度，因此，CPU的性能远远要高于内存，由于CPU到内存中读取指令是一个很复杂的过程，效率很低。CPU和内存在主板的不同位置，两者之间的通信就相当耗时了。那么为了减少CPU和内存之间的交互，在CPU上设计了缓存。

**2）为什么三级缓存的大小依次递增的？**  
三级缓存的速度：  
**CPU中的寄存器 > L1 > L2 > L3 > 内存**  
存储器存储空间大小：**内存 > L3 > L2 > L1 > 寄存器**

L1一级缓存是离CPU内核最近的缓存  
内存中读取的数据会先放到L3,再将L3的数据拷贝到L2，再将L2的数据拷贝到L1,再从L1中的数据拷贝到CPU的寄存器中，CPU操作的存储空间永远是寄存器中存取。每一个CPU都有一个自己独有的寄存器，这个寄存器只有自己的CPU可以访问，其他的CPU不能访问。  
![在这里插入图片描述][5a4bddc5c21f44b6938956cac0b82ac4.png]  
**L3缓存是整个CPU上所有内核共享的，L1和L2是CPU上每个内核独享的。L1在上图中做了逻辑上的划分，划分为两部分，一部分存储指令，一部分存储数据。**

**3）CPU读取数据的过程：**  
首先CPU从L1缓存中找，如果没有找到则从L2缓存中找，如果没有找到，则从L3缓存中找，如果没有找到，则从内存中找。  
读取到的数据不能立刻存放到寄存器中，会先存放到L3缓存中，再拷贝一份到L2缓存和L1缓存中，再读取到寄存器中。

4）**空间局部性原则**（Spatial Locality）：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等。CPU会将它相邻的数据加载进内存。

public class TwoDimensionalArraySum {
        
    
        private static final int RUNS = 100;
        private static final int DIMENSION_1 = 1024 * 1024;
        private static final int DIMENSION_2 = 6;
        private static long[][] longs;
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            /*
             * 初始化数组
             */
            longs = new long[DIMENSION_1][];
            for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++) {
        
                longs[i] = new long[DIMENSION_2];
                for (int j = 0; j < DIMENSION_2; j++) {
        
                    longs[i][j] = 1L;
                }
            }
            System.out.println("Array初始化完毕....");
    
            long sum = 0L;
            long start = System.currentTimeMillis();
            for (int r = 0; r < RUNS; r++) {
        
                for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++) {
        //DIMENSION_1=1024*1024
                    for (int j=0;j<DIMENSION_2;j++){
        //6
                        sum+=longs[i][j];
                    }
                }
            }
            System.out.println("spend time1:"+(System.currentTimeMillis()-start));
            System.out.println("sum1:"+sum);
    
            sum = 0L;
            start = System.currentTimeMillis();
            for (int r = 0; r < RUNS; r++) {
        
                for (int j=0;j<DIMENSION_2;j++) {
        //6
                    for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++){
        //1024*1024
                        sum+=longs[i][j];
                    }
                }
            }
            System.out.println("spend time2:"+(System.currentTimeMillis()-start));
            System.out.println("sum2:"+sum);
        }
    }

结果：  
![在这里插入图片描述][4c21aae6ecaf4c6984310268bc7d4332.png]

以上代码是创建了一个二维数组，第一种方式是按行循环相加，第二种是按列循环相加。安装CPU的空间局部性原则，第一种的循环方式远远要高于第二种，因为CPU在按行循环的时候就将相邻的数据加载到内存中，而按列则只能一个一个加载到CPU的内存中。

5）**时间局部性原则**：如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。CPU不会立即将其清除。

**6）内核空间和用户空间**  
![在这里插入图片描述][7cde3d4d4f6d4d3fbb95824f5a5caab1.png]  
4 GB 的内存空间中，只有 3 GB 可以用于用户应用程序。  
用户方式下用的是  
一般的堆栈(用户空间的堆栈)，而内核方式下用的是固定大小的堆栈（内核空间的对战，一  
般为一个内存页的大小），即每个进程与线程其实有两个堆栈，分别运行与用户态与内核  
态。  
内核线程模型  
![在这里插入图片描述][9c80b19b056b472fa4fb887909987221.png]

**用户线程模型**  
![在这里插入图片描述][2ef9c9550852417e94838cc0e80a14c3.png]

一般像JVM、第三方APP、360浏览器等软件都是运行在用户空间中。操作系统一般运行在内核空间。为什么要分用户空间和内核空间，主要是为了保护我们的操作系统。

**JVM在创建线程的时候，实质上是调用操作系统中的库进行创建的，而JVM是位于在用户空间，操作系统是位于在内核空间中，原来所在的用户空间的堆栈就不在有了，而是转移到了内核空间里面。所有一个进程或一个线程其实不是只有一种堆栈，而是有两个堆栈，一个在用户空间，一个在内核空间。**

**内核线程模型和用户线程模型的本质区别**  
线程的创建、调度、销毁又程序本身管理的则是用户线程模型（ULT）  
线程的创建、调度、销毁又操作系统管理的则是内核线程模型（KLT）  
**java用的是KLT(内核线程模型)**

![在这里插入图片描述][cd01eb9b75ad4b7bbc1d35e01a614958.png]

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