計算機組成

cpu

PC
Program Counter，程序運行的時候，需要指令和數據，而一個復雜的程序有很多指令，那么每一步執行哪一條指令，就從內存里取出來放到PC了里，記住這個指令在內存里位置，從而知道下一個指令從內存的哪里取。
Registers
寄存器，一顆cpu里有很多寄存器，有的寫，有的讀，還有其他的作用，程序運行時的數據就放到寄存器里。
ALU
Arithmetic & Logic Unit，計算和邏輯單元，比如計算2+3，從PC里拿+指令，從register A里拿2，從register B里拿3，數據，運算后把結果再返回給register C，然后刷回內存。
cache
緩存，cpu里的io速度是內存里的100倍，如果每次都從內存里拿數據，會很慢，于是就有了緩存。結構如下：

cpu里的緩存分三級，各級的讀取速度如下：

對于多核cpu，在各核里有各自的L1和L2緩存，在同一顆cpu里公用L3緩存，計算機讀取IO是塊讀的，即每次讀取一個緩存行（cache line）每次都是64K，那么假如2核cpu，同時需要讀取了同一個緩存行，而核1改了該緩存行里的某些值，為了保證數據一致性，要通知核2這個緩存行里的值被改了，通過緩存一致性協議（MSI MESI(intel的） MOSI Synapse Firefly Dragon等）
為了避開緩存一致性協議，有一種變成叫做“緩存行對齊”編程，比如jdk7里有很多變量用7個long（8字節）填充，再聲明變量，再用7個long填充，保證該變量在一個緩存行里，讀取就快了。而jdk8有@Contended注解，在聲明變量的時候，加上這個注解，jvm就保證這個變量單獨放到一個緩存行里。jvm要加 -XX:-RestrictContended注解才起作用。
超線程CPU
我們的一個ALU一次只能執行一個線程，如果是單線程，cpu在運算時需要把數據和指令拿到Registers和PC里進行運算，那么其他的線程再運算時就需要清除數據和指令，把需要計算的拿進來計算，完成后再把原來的沒計算完成的數據和指令再拿進來計算。就比較慢。比如四核八線程，就是一個ALU對應兩組PC和registers，一次性把兩個線程里的數據和指令拿到不同組的registers和PC里，cpu在計算的時候，ALU只需要在不同的組直接切換就能完成計算，就快得多。
電腦開機過程
電腦開機過程

NUMA
Non Uniform Memory Access的簡稱，對應的是UMA(Uniform Memory Access)。
UMA，一般的PC是CPU、內存插在主板上固定的地方，所有內核都去這個地方訪問內存。
NUMA，有的服務器的架構，在硬件上分成某租CPU有物理上離他最近的內存，物理離得近就訪問快，內核優先訪問這部分內存，找不到對應的資源了再去其他的內存里訪問。
亂序執行
cpu執行不同的指令的時間片消耗不同，為了提高執行效率，cpu會在某種規則上不按照代碼的順序執行。如果要順序執行，cpu層面，intel有原語(Mfence->Mixd Fence->混合柵，IFence->Input Fence->讀柵，SFence->Save Fence->寫柵來鎖定某塊資源(比如內存)來保證不同指令對這塊資源的順序執行)，很遺憾，jvm因為是跨硬件平臺的，所以只能用跨平臺的lock指令來實現，比如java的volatile關鍵字，是用四個內存屏障（LoadLoad,LoadStorage,StorageLoad,StorageStorage）來實現的。比如一個讀和一個寫的指令存在并發，jvm在這個內存前后加上兩個內存屏障，保證如果寫的執行在前，就一定保證寫的指令執行完了后續的讀寫指令才能訪問這塊內存，從而保證內存可見性，也防止了亂序執行。
微內核
傳統的PC即，內核程序需要管理硬件、內存、進程調度等，微內核就把傳統的內核的這些工作分開，只關注與程序調度，效率高，可插拔，模塊化，華為的HM就是這么干的。
用戶態與內核態
在最原始的DOS系統的時候，內核和用戶程序都可以訪問計算機的資源，比如硬件的第一扇區(Master Boot Record，放內核程序的地方)，用戶程序可以改這個地方，電腦就被黑了，黑客盛行。現在的linux內核分為內核態和用戶態，內核態管理硬件等，用戶程序想要操作硬件，必須通過內核程序取訪問，而有些敏感的資源用戶程序是無法訪問的，保證系統安全。
進程線程纖程
以a.exe程序執行為例，a這個程序是放在磁盤里的，雙擊后就load到內存里，操作系統分配了一個這個程序的資源空間，即開啟了一個進程。再雙擊一次a，在a這個程序不要求一個操作系統只有一個程序的前提下，又分配給給a另外的資源，有開啟一個進程。這兩個進程有獨立的內存空間。
a程序代碼里不只一個線程，在cpu運算過程中，在這些線程之間切換，即線程調度，a程序里的多個線程共享a這個進程的內存空間。
多線程高并發的程序運行過程中，需要頻繁的切換用戶態和內核態，硬件上，單線程的cpu需要頻繁的清除寄存器(Regiesters)和程序計數器(Process Counter)，多線程的cpu需要在這些Registers和PC之間切換，大部分的時間小號在切換用戶態和內核態。所以有了只在用戶態運行的線程，即纖程，當然，不能切換成內核態，所以纖程適用于計算時間短但是cpu占用很高的運算。
開辟一個線程大概占1M內存，開辟一個纖程序占4K內存，開10萬個線程電腦可能卡死，開10萬個纖程電腦運行正常。
目前內置纖程序的語言：Kotlin、Scala、Go、引用了特定庫的Python，jdk在實驗階段的有（openJdk+loom）。
中斷
進程有實時進程和普通進程，實時進程(優先級1～99)的優先級永遠比普通進程高(-20~19)，進程調度的時候優先執行實時進程。
默認進程調度算法。CMS（Completely Fair Scheduler，按優先級分配cpu時間，記錄每個進程的執行時間，如果一個進程的執行時間不到他應該分配的時間，在下一次調度時優先執行）絕對公平算法和RR（Round Robin，每個進程執行時間一樣，輪換這執行）輪循算法，優先級有差異的用CMS，同樣優先級的RR。
中斷分為硬中斷（來自硬件，比如鍵盤和網絡）和軟中斷（來自程序內部，比如程序里調用read()指令），優先級高于除了內核不允許的某些實時進程之外的所有進程。是一個信號，在內核里就是int 0x80，所有的內核接口最多五個參數，通過ax寄存器傳入中斷調用好（比如一個read中斷），bx、cx、dx、si、di傳入參數，計算萬了再把結果寫回ax寄存器，一層一層返回給程序。
僵尸進程和孤兒進程
linux的進程標記是PCB，假如父進程fork了多個子進程，子進程的PCB由父進程管理，如果子進程退出了，系統回收了子進程的資源，但是父進程還運行，意味著子進程的PCB還在，ps命令能開到這些進程還在（被打了defunct的進程），這些子進程就叫做僵尸進程。不可以kill掉，但是可以kill掉父進程。假如父進程死了，子進程還在，那么父進程會把子進程的PCB交給他的父進程（所有進程的父進程id號是1，帶圖形界面的進程的父進程是14多少，但是這個14多少的父進程還是1），那么這些子進程就是孤兒進程。可以kill掉孤兒進程，
反正進程執行完了會被回收分配的資源，不影響性能，kill不kill的無所謂。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的java需要知道的计算机底层的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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