Java程序员需要了解的底层知识(一)

阅读原文时间：2023年07月09日阅读：1

硬件基础知识
　　- Java相关硬件
汇编语言的执行过程（时钟发生器寄存器程序计数器）
计算机启动过程
进程线程纤程的基本概念面试高频
　　- 纤程的实现
内存管理
进程管理与线程管理（进程与线程在Linux中的实现）
中断与系统调用（软中断）
内核同步基础知识
关于IO DMA

硬件基础知识

　　Intel 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

　　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读取内存中程序（电信号输入）

->时钟发生器不断震荡通断电 ->推动CPU内部一步一步执行

（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，或者图形）

量子比特，同时表示1 0

PC -> Program Counter 程序计数器（记录当前指令地址）

Registers -> 暂时存储CPU计算需要用到的数据

ALU -> Arithmetic & Logic Unit 运算单元

CU -> Control Unit 控制单元

MMU -> Memory Management Unit 内存管理单元

cache

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

缓存行：

　　缓存行越大，局部性空间效率越高，但读取时间慢

　　缓存行越小，局部性空间效率越低，但读取时间快

　　取一个折中值，目前多用：64字节

1 public class T03_CacheLinePadding {
2
3 public static volatile long[] arr = new long[2];
4
5 public static void main(String[] args) throws Exception {
6 Thread t1 = new Thread(()->{
7 for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) { 8 arr[0] = i; 9 } 10 }); 11 12 Thread t2 = new Thread(()->{
13 for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
14 arr[1] = i;
15 }
16 });
17
18 final long start = System.nanoTime();
19 t1.start();
20 t2.start();
21 t1.join();
22 t2.join();
23 System.out.println((System.nanoTime() - start)/100_0000);
24 }
25 }
26

1 public class T04_CacheLinePadding {
2
3 public static volatile long[] arr = new long[16];
4
5 public static void main(String[] args) throws Exception {
6 Thread t1 = new Thread(()->{
7 for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) { 8 arr[0] = i; 9 } 10 }); 11 12 Thread t2 = new Thread(()->{
13 for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
14 arr[8] = i;
15 }
16 });
17
18 final long start = System.nanoTime();
19 t1.start();
20 t2.start();
21 t1.join();
22 t2.join();
23 System.out.println((System.nanoTime() - start)/100_0000);
24 }
25 }

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，可以使用缓存航对齐的编程方式

　　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

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

jvm/jmm/Disorder.java

禁止乱序

CPU层面：Intel -> 原语(mfence lfence sfence) 或者锁总线

JVM层级：8个hanppens-before原则 4个内存屏障（LL LS SL SS）

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

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

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

通电 -> bios uefi 工作 -> 自检 -> 到硬盘固定位置加载bootloader -> 读取可配置信息 -> CMOS

OS

微内核 - 弹性部署 5G IoT

宏内核 - PC phone

外核 - 科研实验中为应用定制操作系统 (多租户 request-based GC JVM)

cpu分不同的指令级别

linux内核跑在ring 0级，用户程序跑在ring 3，对于系统的关键访问，需要经过kernel的同意，保证系统健壮性

内核执行的操作 - > 200多个系统调用 sendfile read write pthread fork

JVM -> 站在OS老大的角度，就是个普通程序

进程线程纤程中断

面试高频：进程和线程有什么区别？

答案：进程就是一个程序运行起来的状态，线程是一个进程中的不同的执行路径。专业：进程是OS分配资源的基本单位，线程是执行调度的基本单位。分配资源最重要的是：独立的内存空间，线程调度执行（线程共享进程的内存空间，没有自己独立的内存空间）

纤程：用户态的线程，线程中的线程，切换和调度不需要经过OS

优势：1：占有资源很少 OS : 线程1M Fiber：4K 2：切换比较简单 3：启动很多个10W+

目前2020 3 22支持内置纤程的语言：Kotlin Scala Go Python(lib)… Java? （open jdk : loom）

利用Quaser库（不成熟）

http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd"> 4.0.0 mashibing.com HelloFiber 1.0-SNAPSHOT co.paralleluniverse quasar-core 0.8.0

import co.paralleluniverse.fibers.Fiber;
import co.paralleluniverse.fibers.SuspendExecution;
import co.paralleluniverse.strands.SuspendableRunnable;

public class HelloFiber {

public static void main(String[] args) throws Exception {
long start = System.currentTimeMillis();
Runnable r = new Runnable() {
@Override
public void run() {
calc();
}
};

int size = 10000;

Thread[] threads = new Thread[size];
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i] = new Thread(r);
}

for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].start();
}

for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].join();
}

long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);

}

static void calc() {
int result = 0;
for (int m = 0; m < 10000; m++) {
for (int i = 0; i < 200; i++) result += i;

}
}
}

import co.paralleluniverse.fibers.Fiber;
import co.paralleluniverse.fibers.SuspendExecution;
import co.paralleluniverse.strands.SuspendableRunnable;

public class HelloFiber2 {

public static void main(String[] args) throws Exception {
long start = System.currentTimeMillis();

int size = 10000;

Fiber[] fibers = new Fiber[size];

for (int i = 0; i < fibers.length; i++) { fibers[i] = new Fiber(new SuspendableRunnable() {
public void run() throws SuspendExecution, InterruptedException {
calc();
}
});
}

for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {
fibers[i].start();
}

for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {
fibers[i].join();
}

long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);

}

static void calc() {
int result = 0;
for (int m = 0; m < 10000; m++) {
for (int i = 0; i < 200; i++) result += i;

}
}
}

纤程 vs 线程池：很短的计算任务，不需要和内核打交道，并发量高！

#include
#include
#include
#include
#include
#include

int main() {
pid_t pid = fork();

if (0 == pid) {
printf("child id is %d\n", getpid());
printf("parent id is %d\n", getppid());
} else {
while(1) {}
}
}

#include
#include
#include
#include
#include
#include

int main() {
pid_t pid = fork();

if (0 == pid) {
printf("child ppid is %d\n", getppid());
sleep(10);
printf("parent ppid is %d\n", getppid());
} else {
printf("parent id is %d\n", getpid());
sleep(5);
exit(0);
}
}

进程调度

2.6采用CFS调度策略：Completely Fair Scheduler

按优先级分配时间片的比例，记录每个进程的执行时间，如果有一个进程执行时间不到他应该分配的比例，优先执行

默认调度策略：

实时（急诊）优先级分高低 - FIFO (First In First Out)，优先级一样 - RR（Round Robin）普通： CFS

中断

　　硬件跟操作系统内核打交道的一种机制

　　软中断（80中断） == 系统调用

　　系统调用：int 0x80 或者 sysenter原语

　　通过ax寄存器填入调用号

　　参数通过bx cx dx si di传入内核

　　返回值通过ax返回

java读网络 – jvm read() – c库read() - >内核空间 -> system_call() （系统调用处理程序）-> sys_read()

搭建汇编环境

yum install nasm

1 ;hello.asm
2 ;write(int fd, const void *buffer, size_t nbytes)
3 ;fd 文件描述符 file descriptor - linux下一切皆文件
4
5 section data
6 msg db "Hello", 0xA
7 len equ $ - msg
8
9 section .text
10 global _start
11 _start:
12
13 mov edx, len
14 mov ecx, msg
15 mov ebx, 1 ;文件描述符1 std_out
16 mov eax, 4 ;write函数系统调用号 4
17 int 0x80
18
19 mov ebx, 0
20 mov eax, 1 ;exit函数系统调用号
21 int 0x80

编译：nasm -f elf hello.asm -o hello.o

链接：ld -m elf_i386 -o hello hello.o

一个程序的执行过程，要么处于用户态，要么处于内核态

内存管理

DOS时代 - 同一时间只能有一个进程在运行（也有一些特殊算法可以支持多进程）

windows9x - 多个进程装入内存 1：内存不够用 2：互相打扰

为了解决这两个问题，诞生了现在的内存管理系统：虚拟地址分页装入软硬件结合寻址

分页（内存不够用），内存中分成固定大小的页框（4K），把程序（硬盘上）分成4K大小的块，用到哪一块，加载那一块，加载的过程中，如果内存已经满了，会把最不常用的一块放到swap分区，把最新的一块加载进来，这个就是著名的LRU算法
虚拟内存（解决相互打扰问题）
缺页中断（不是很重要）：

算法叫做：Colored Pointer

GC信息记录在指针上，不是记录在头部， immediate memory use

42位指针寻址空间4T JDK13 -> 16T 目前为止最大16T 2^44

CPU如何区分一个立即数和一条指令

总线内部分为：数据总线地址总线控制总线

地址总线目前：48位

颜色指针本质上包含了地址映射的概念

内核同步机制

•临界区（critical area）: 访问或操作共享数据的代码段简单理解：synchronized大括号中部分（原子性）

•竞争条件（race conditions）两个线程同时拥有临界区的执行权

•数据不一致：data unconsistency 由竞争条件引起的数据破坏

•同步（synchronization）避免race conditions

•锁：完成同步的手段（门锁，门后是临界区，只允许一个线程存在）上锁解锁必须具备原子性

•原子性（象原子一样不可分割的操作）

•有序性（禁止指令重排）

•可见性（一个线程内的修改，另一个线程可见）

互斥锁排他锁共享锁分段锁

1.原子操作 – 内核中类似于AtomicXXX，位于

2.自旋锁 – 内核中通过汇编支持的cas，位于

3.读-写自旋 – 类似于ReadWriteLock，可同时读，只能一个写读的时候是共享锁，写的时候是排他锁

4.信号量 – 类似于Semaphore(PV操作 down up操作占有和释放）重量级锁，线程会进入wait，适合长时间持有的锁情况

5.读-写信号量 – downread upread downwrite upwrite （多个写，可以分段写，比较少用）(分段锁）

6.互斥体(mutex) – 特殊的信号量（二值信号量）

7.完成变量 – 特殊的信号量（A发出信号给B，B等待在完成变量上） vfork() 在子进程结束时通过完成变量叫醒父进程类似于(Latch)

8.BKL：大内核锁（早期，现在已经不用）

9.顺序锁（2.6）： – 线程可以挂起的读写自旋锁序列计数器（从0开始，写时增加(+1)，写完释放(+1)，读前发现单数，说明有写线程，等待，读前读后序列一样，说明没有写线程打断）

10.禁止抢占 – preempt_disable()

11.内存屏障 – 见volatile

汇编实现引导程序

; 文件名 boot.asm

org 7c00h ; BIOS读入MBR后，从0x7c00h处开始执行

; 下面部分和10h有关中断，10h中断用来显示字符
mov ax, cs
mov es, ax
mov ax, msg
mov bp, ax ; ES:BP表示显示字符串的地址
mov cx, msgLen ; CX存字符长度
mov ax, 1301h ; AH=13h表示向TTY显示字符，AL=01h表示显示方式（字符串是否包含显示属性，01h表示不包含）
mov bx, 000fh ; BH=00h表示页号，BL=0fh表示颜色
mov dl, 0 ; 列
int 10h

msg: db "hello world, welcome to OS!"
msgLen: equ $ - msg ; 字符串长度
times 510 - ($ - $$) db 0 ; 填充剩余部分
dw 0aa55h ; 魔数，必须有这两个字节BIOS才确认是MBR

nasm boot.asm -o boot.bin

dd if=/dev/zero of=floppy.img bs=1474560 count=1 生成空白软盘镜像
dd if=boot.bin of=myos.img bs=512 count=1 制作包含主引导记录boot.bin的启动镜像文件
dd if=floppy.img of=myos.img skip=1 seek=1 bs=512 count=2879 在 bin 生成的镜像文件后补上空白，成为合适大小的软盘镜像，一共2880个扇区，略过第一个
将myos.img下载到windows
VMWare创建空的虚拟机
启动虚拟机

参考：https://www.glamenv-septzen.net/en/view/6

手机扫一扫

移动阅读更方便