Java底層作業系統與並發基礎有哪些

一、現代電腦硬體結構

 核心部分： CPU、記憶體

1.CPU內部結構

• #控制單元： 整個CPU 的指揮控制中心

• 運算單元： 運算器核心，執行算術運算與邏輯運算。運算元接收控制單元的指令而執行動作

• 儲存單元： CPU 中暫時儲存資料的地方，包括 CPU 片內快取Cache 與 暫存器群組

1.1.CPU快取結構

現代CPU 為了提升執行效率，減少CPU 與記憶體的交互作用(交互作用影響CPU效率)，一般在CPU上整合了多層次快取架構，常見的為三級快取結構

• #L1 Cache，分為資料快取與指令緩存，邏輯核獨佔

• L2 Cache，物理核獨佔，邏輯核共享

• #L3 Cache，所有物理核共享

此機器的三級快取架構如下圖：L1 Cache又分為兩種，指令儲存單元（儲存指令），和邏輯儲存單元（存邏輯)。理論上一台機器可以有多個 CPU，由插槽決定，一個 CPU 又有多核心，一個核心又可以由多個邏輯處理器。

暫存器是 CPU 內部元件，讀寫速度非常快。  CPU 讀取資料只會從暫存器中去取，每個 CPU 都有一個獨特的暫存器，其他 CPU 無法存取。 採用暫存器，可以減少 CPU 存取記憶體的次數，從而提高了 CPU 的工作速度。

越靠近CPU 讀取速度越快，摩爾定律中，CPU 以每18個月翻一番的速度在發展，而記憶體和硬碟的發展速度遠遠跟不上。為了解決 CPU 運算速度和 I\O 速度不匹配的問題，CPU 開始被內建了少量的高速緩存 Lx Cache（CPU空間有限，儲存元件大小受限）。

• 記憶體儲存空間大小： 記憶體> L3 Cache > L2 Cache > L1 Cache > 暫存器

• #記憶體讀取速度快慢： 暫存器> L1 Cache > L2 Cache > L3 Cache > 記憶體

• 快取是由最小的存儲區塊--- 快取行(CacheLine) 組成，快取行大小通常為64byte。我的機器L1的快取大小時512K，則由512 * 1024/64個快取行組成。

CPU讀取記憶體資料過程： CPU 只能直接從暫存器取得資料。  假設資料x = 0 在記憶體中，則它的取值過程如下：

#判斷暫存器中是否存在

不存在則遍歷L1 Cache 看是否存在，不存在遍歷L2 Cache，L2 Cache 中沒有，遍歷L3 Cache。中間過程存在，則會把 Cache 行鎖住，拷貝到上一層，直到到暫存器。

Cache 中沒有則區記憶體中找，先通知記憶體控制器佔用匯流排頻寬，通知記憶體加鎖，發起記憶體讀取請求，等待回應，回應資料拷貝到L3 Cache。注意：整個流程加鎖直到到CPU才會解開

局部性原理：在CPU存取儲存裝置時，無論是存取資料或存取指令，都趨於聚集在一片連續的區域中。

這種局部性原理又有兩種：

• #時間局部性（Temporal Locality）： 如果一個資訊項正在被訪問，那麼在近期它很可能還會再次被訪問。例如循環、遞歸、方法的反覆呼叫等。

• 空間局部性（Spatial Locality）： 如果一個記憶體的位置被引用，那麼將來他附近的位置也會被引用。例如依序執行的程式碼、連續建立的兩個物件、陣列等。

空間局部性的例子： 一個很大的二維數組，累加求和一行一行加上會比一列一列累加快很多。在CPU 在記憶體中讀取資料時會將附件的資料都讀進去。

1.2.CPU運作安全等級

CPU被分割為4 個運作等級：

•  ring0 核心狀態

• # ring1

•  ring2

• # ring3 使用者狀態

#Linux 和Windows 都只用到了兩個級別:ring0、ring3，作業系統內部內部程式指令通常運行在ring0 級別，作業系統以外的第三方程式運行在ring3 級別，第三方程式如果要呼叫作業系統內部函數功能，由於運行安全級別不夠，必須切換CPU運行狀態，從ring3 切換到ring0, 然後執行系統函數，創建線程，線程阻塞喚醒是重型操作，因為CPU要切換運轉狀態。

JVM 建立執行緒是CPU 的流程：

• 第一步：CPU 從ring3 切換ring0 建立執行緒

• #第二步：建立完畢，CPU從ring0 切回ring3

• #第三個步驟：執行緒執行JVM程式

第四步： 執行緒執行完畢，銷毀切回 ring0

第五步：執行緒銷毀，切回 ring3

2.作業系統記憶體管理

• 為了讓程式運行安全隔離與穩定，作業系統有用戶空間與

  核心空間
兩個概念。以32位元作業系統4G大小的記憶體空間為例：

• Linux 為核心程式碼和資料結構預留了幾個頁框，這些頁永遠不會被轉出到磁碟上（4GB記憶體空間，使用者程式可使用3GB）。如圖綠色部分的線性位址可由
使用者程式碼和核心程式碼

來引用（

即使用者空間）。黃色部分的線性位址

只能由核心程式碼

進行存取（

即核心空間

）。

行程與執行緒只能運作在使用者方式（usermode） 或 核心方式（kernelmode） 下。用戶程式運行在用戶方式下，而係統呼叫運行在核心方式下。

使用者方式下使用一般的堆疊(用戶空間的堆疊)，核心方式下使用固定大小的堆疊（核心空間的堆疊，一般為一個記憶體頁的大小)，即每個行程都與執行緒其實有兩個堆疊，分別運行與用戶態與核心態。

CPU調度的基本單位線程，也分割為：

核心執行緒模型(KLT)：
•  Java使用，內核保存線程的狀態和上下文訊息，線程阻塞不會引起進程阻塞。在多處理器系統上，多執行緒在多處理器上並行運行。執行緒的建立、調度和管理由核心完成，效率比ULT慢，比行程操作快。

使用者執行緒模型(ULT)：
•  不依賴作業系統核心,應用提供建立、同步、調度和管理執行緒的函數來控制使用者執行緒。不需要使用者態/核心態切換，速度快。核心對ULT無感知，執行緒阻塞則行程（包含它的所有執行緒）阻塞

• # 執行緒都有兩個堆疊，一個在使用者空間，一個在內核空間。阻塞、創建、殺死執行緒將拋棄用戶空間的堆疊，轉移到核心空間，執行完畢後再轉移到用戶空間。 3.進程與執行緒

進程：### ###作業系統資源分配的最小單位###，例如：啟動一個Java 程序，作業系統就會建立一個Java 進程，進程中可以包含多個執行緒。 #########執行緒：### ###作業系統調度CPU的最小單元###，執行緒都擁有各自的計數器、堆疊和局部變數等屬性， 並且能夠存取共享的記憶體變數。 CPU 在這些執行緒上高速切換，讓使用者感覺到這些執行緒同時執行（並發）。 #########執行緒上下切換：### 儲存上一個執行緒運行的中間狀態，執行下一個執行緒#################### ###序列：### 時間上不可重疊，前一個任務沒完成，下一個任務只能等待################並行：### 時間上是重疊的，兩個任務在同一時刻互不干擾的同時執行###############並發：### 運行兩個任務彼此幹擾，同一時間點，只有一個任務執行，交替執行#########

以上是Java底層作業系統與並發基礎有哪些的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！