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硬件基础知识

CPU的制作过程

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

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汇编语言（机器语言）的执行过程

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）

量子计算机

量子比特，同时表示1 0

CPU的基本组成

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

缓存

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. package com.mashibing.juc.c_028_FalseSharing;
  3. public class T03_CacheLinePadding {
  5.     public static volatile long[] arr = new long[2];
  7.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  8.         Thread t1 = new Thread(()->{
  9.             for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
  10.                 arr[0] = i;
  11.             }
  12.         });
  14.         Thread t2 = new Thread(()->{
  15.             for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
  16.                 arr[1] = i;
  17.             }
  18.         });
  20.         final long start = System.nanoTime();
  21.         t1.start();
  22.         t2.start();
  23.         t1.join();
  24.         t2.join();
  25.         System.out.println((System.nanoTime() - start)/100_0000);
  26.     }
  27. }
  1. package com.mashibing.juc.c_028_FalseSharing;
  3. public class T04_CacheLinePadding {
  5.     public static volatile long[] arr = new long[16];
  7.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  8.         Thread t1 = new Thread(()->{
  9.             for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
  10.                 arr[0] = i;
  11.             }
  12.         });
  14.         Thread t2 = new Thread(()->{
  15.             for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
  16.                 arr[8] = i;
  17.             }
  18.         });
  20.         final long start = System.nanoTime();
  21.         t1.start();
  22.         t2.start();
  23.         t1.join();
  24.         t2.join();
  25.         System.out.println((System.nanoTime() - start)/100_0000);
  26.     }
  27. }

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

乱序执行

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

合并写（不重要）

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

NUMA

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

启动过程（不重要）

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

内核分类

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)

用户态与内核态

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）

Java中对于纤程的支持：没有内置，盼望内置

利用Quaser库（不成熟）

  1. <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
  2. <project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
  3.          xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
  4.          xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
  5.     <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
  7.     <groupId>mashibing.com</groupId>
  8.     <artifactId>HelloFiber</artifactId>
  9.     <version>1.0-SNAPSHOT</version>
  11.     <dependencies>
  12.         <!-- https://mvnrepository.com/artifact/co.paralleluniverse/quasar-core -->
  13.         <dependency>
  14.             <groupId>co.paralleluniverse</groupId>
  15.             <artifactId>quasar-core</artifactId>
  16.             <version>0.8.0</version>
  17.         </dependency>
  18.     </dependencies>
  20. </project>
  21. import co.paralleluniverse.fibers.Fiber;
  22. import co.paralleluniverse.fibers.SuspendExecution;
  23. import co.paralleluniverse.strands.SuspendableRunnable;
  25. public class HelloFiber {
  27.     public static void main(String[] args) throws  Exception {
  28.         long start = System.currentTimeMillis();
  29.         Runnable r = new Runnable() {
  30.             @Override
  31.             public void run() {
  32.                 calc();
  33.             }
  34.         };
  36.         int size = 10000;
  38.         Thread[] threads = new Thread[size];
  39.         for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
  40.             threads[i] = new Thread(r);
  41.         }
  43.         for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
  44.             threads[i].start();
  45.         }
  47.         for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
  48.             threads[i].join();
  49.         }
  51.         long end = System.currentTimeMillis();
  52.         System.out.println(end - start);
  55.     }
  57.     static void calc() {
  58.         int result = 0;
  59.         for (int m = 0; m < 10000; m++) {
  60.             for (int i = 0; i < 200; i++) result += i;
  62.         }
  63.     }
  64. }
  67. import co.paralleluniverse.fibers.Fiber;
  68. import co.paralleluniverse.fibers.SuspendExecution;
  69. import co.paralleluniverse.strands.SuspendableRunnable;
  71. public class HelloFiber2 {
  73.     public static void main(String[] args) throws  Exception {
  74.         long start = System.currentTimeMillis();
  77.         int size = 10000;
  79.         Fiber<Void>[] fibers = new Fiber[size];
  81.         for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {
  82.             fibers[i] = new Fiber<Void>(new SuspendableRunnable() {
  83.                 public void run() throws SuspendExecution, InterruptedException {
  84.                     calc();
  85.                 }
  86.             });
  87.         }
  89.         for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {
  90.             fibers[i].start();
  91.         }
  93.         for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {
  94.             fibers[i].join();
  95.         }
  97.         long end = System.currentTimeMillis();
  98.         System.out.println(end - start);
  101.     }
  103.     static void calc() {
  104.         int result = 0;
  105.         for (int m = 0; m < 10000; m++) {
  106.             for (int i = 0; i < 200; i++) result += i;
  108.         }
  109.     }
  110. }

作业：目前是10000个Fiber -> 1个JVM线程，想办法提高效率，10000Fiber -> 10份 -> 10Threads

纤程的应用场景

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！

僵尸进程

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <unistd.h>
  4. #include <string.h>
  5. #include <assert.h>
  6. #include <sys/types.h>
  8. int main() {
  9.         pid_t pid = fork();
  11.         if (0 == pid) {
  12.                 printf("child id is %d\n", getpid());
  13.                 printf("parent id is %d\n", getppid());
  14.         } else {
  15.                 while(1) {}
  16.         }
  17. }

孤儿进程

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <unistd.h>
  4. #include <string.h>
  5. #include <assert.h>
  6. #include <sys/types.h>
  8. int main() {
  9.         pid_t pid = fork();
  11.         if (0 == pid) {
  12.                 printf("child ppid is %d\n", getppid());
  13.                 sleep(10);
  14.                 printf("parent ppid is %d\n", getppid());
  15.         } else {
  16.                 printf("parent id is %d\n", getpid());
  17.                 sleep(5);
  18.                 exit(0);
  19.         }
  20. }

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()

从汇编角度理解软中断

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
  5. section data
  6.     msg db "Hello", 0xA
  7.     len equ $ - msg
  9. section .text
  10. global _start
  11. _start:
  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
  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

内存管理的发展历程

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）
LRU是Least Recently Used的缩写，即最近最少使用，是一种常用的页面置换算法，选择最近最久未使用的页面予以淘汰。

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

  1. 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

image.png

  1. LRU算法 LeetCode146题，头条要求手撕，阿里去年也要求手撕
  2. Least Recently Used 最不常用
  3. 哈希表（保证 查找操作O(1)） + 链表 （保证 排序操作和新增操作 O(1)））
  4. 双向链表 （保证 左边指针 指向右边块）

  1. 虚拟内存（解决相互打扰问题）

    image.png

    1. DOS Win31 … 互相干掉
    2. 为了保证互不影响 - 让进程工作在虚拟空间，程序中用到的空间地址不再是直接的物理地址，而是虚拟的地址，这样，A进程永远不可能访问到B进程的空间
    3. 虚拟空间多大呢？寻址空间 - 64位系统 2 ^ 64，比物理空间大很多 ，单位是byte
    4. 站在虚拟的角度，进程是独享整个系统 + CPU
    5. 内存映射：偏移量 + 段的基地址 = 线性地址 （虚拟空间）
    6. 线性地址通过 OS + MMU（硬件 Memory Management Unit）
  1. 缺页中断（不是很重要）：
    1. 需要用到页面内存中没有，产生缺页异常（中断），由内核处理并加载

ZGC

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

image.png

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

关于同步理论的一些基本概念

•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

内核同步常用方法

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

编写汇编码

  1. ; 文件名 boot.asm
  3. org 7c00h                     ; BIOS读入MBR后，从0x7c00h处开始执行
  5. ; 下面部分和10h有关中断，10h中断用来显示字符
  6. mov ax, cs
  7. mov es, ax
  8. mov ax, msg
  9. mov bp, ax                    ; ES:BP表示显示字符串的地址
  10. mov cx, msgLen                ; CX存字符长度
  11. 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）
  12. mov bx, 000fh                 ; BH=00h表示页号，BL=0fh表示颜色
  13. mov dl, 0                     ; 列
  14. int 10h
  16. msg: db "hello world, welcome to OS!"
  17. msgLen: equ $ - msg           ; 字符串长度
  18. times 510 - ($ - $$) db 0     ; 填充剩余部分
  19. dw 0aa55h                     ; 魔数，必须有这两个字节BIOS才确认是MBR

编译

nasm boot.asm -o boot.bin

制作启动软盘

  1. dd if=/dev/zero of=floppy.img bs=1474560 count=1 生成空白软盘镜像
  2. 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
  3. 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

用软盘启动系统

  1. 将myos.img下载到windows
  2. VMWare创建空的虚拟机
    1. 文件 - 创建新的虚拟机 - 典型
    2. 稍后安装操作系统
    3. 其他
    4. 一路next 完成
    5. 虚拟机设置，去掉CD/DVD选项中“启动时连接”
    6. 网络，选择“仅主机模式”，勾选“启动时连接”（好像无所谓）
    7. 添加软盘驱动器 使用软盘映像 找到myos.img
  1. 启动虚拟机

为什么是0x7C00?

img

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