1.硬件结构

1.1说说冯诺依曼结构

计算机基础结构分为5个部分，分别是中央处理器(CPU)、内存、输入设备、输出设备、总线。

（1）内存：我们的程序和数据都在存储在内存中，数据存储的单位是一个二进制位，即0或1。最小的存储单位是字节(byte)，1字节等于8位。内存的地址是从0开始编写的，然后自增排列，最后一个地址为内存总字节数-1，这种结构就好像是我们程序里的数组，所以内存的读写任何一个数据的速度都是一样的。
（2）中央处理器(CPU)：32位CPU一次可以计算4个字节；64位CPU一次可以计算8个字节；之所以CPU要这么设计，是为了能计算更大的数值，如果是8位的CPU，那么一次计算只能计算的最大整数是2^8-1，这样就无法一次完成10000*500的计算，于是为了能一次计算大数的运算，CPU需要支持多个byte一起计算，所以CPU位宽越大，可以计算的数组就越大，比如说32位CPU能计算的最大整数是2^32-1。
CPU内部还有一些组件，常见的有寄存器、控制单元、逻辑运算单元等，其中控制单元负责CPU工作，逻辑运算单元负责计算。寄存器的种类：
1.通用寄存器：用来存放需要进行运算的数据，比如需要进行加和运算的两个数据。
2.程序计数器：用来存储CPU要执行下一条指令所在的内存地址。指令还在内存中，程序计数器只是存储了下一条指令的地址。
3.指令寄存器：用来存放程序计数器指向的指令，也就是指令本身，指令被执行完成之前，指令都存储在这里。
（3）总线：用于CPU和内存以及其他设备之间的通信
1.地址总线：用于指定CPU将要操作到的内存地址。
2.数据总线：传输内存的数据。
3.控制总线：用于发送和接收信号，比如中断、设备复位等信号，CPU收到信号后自然响应，这时也需要控制总线。
当CPU要读写内存数据的时候，一般需要两个总线：首先通过地址总线来指定内存的地址，再通过数据总线来传输数据。
（4）输入、输出设备：输入设备向计算机输入数据，计算机经过计算后，把数据输出给输出设备。期间，如果输入设备是键盘，按下按键时需要和CPU进行交互的，这时需要用到控制总线。

1.2说说程序执行的基本过程

程序实际上就是一条条的指令，所以程序的运行过程就是把每一条指令一步一步的执行起来，负责执行指令的就是CPU了。
（1）CPU读取程序计数器的值，这个值是指令的内存地址，然后CPU的【控制单元】操作【地址总线】指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过【数据总线】将指令数据传给CPU，CPU收到内存传来的数据后，将这个指令存入到【指令寄存器】。
（2）CPU分析【指令寄存器】中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型的指令，就把指令交给【逻辑运算单元】运算；如果是存储类型的指令，则交给【控制单元】执行。
（3）CPU执行完指令后，【程序计数器】的值自增，表示指向下一条指令。这个自增的大小，由CPU的位宽决定，如果是32位的CPU，指令是4个字节，需要4个内存地址存放，因此【程序计数器】的值会自增4。

四个阶段的具体含义：
（1）CPU通过程序计数器读取对应内存地址的指令，这个部分称为取指令(Fetch)；
（2）CPU对指令进行解码，这个部分称为指令译码(Decode)；
（3）CPU执行指令，这个部分称为执行指令(Execution)；
（4）CPU将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存入内存，这个部分称为数据回写(Store)。

1.3说说存储器的层次结构？

CPU Cache通常会分为L1、L2、L3三层，其中L1 Cache通常分为【数据缓存】和【指令缓存】，L1是距离CPU最近的，因此它比L2、L3的读写速度都快、存储空间都小。我们大脑中短期记忆，就好比L1 Cache，而长期记忆就好比L2/L3 Cache。寄存器和CPU Cache都是在CPU内部，跟CPU挨着很近，因此它们的读写速度都相当得快，但是能存储的数据较少。

对于存储器，它的速度越快、能耗会越高、而且材料的成本也是越贵的，以至于速度快的存储器的容量都比较小。CPU里的寄存处和Cache，是整个计算机存储器中价格最贵的，虽然存储空间很小，但是读写速度是极快的，而相比比较便宜的内存和硬盘，速度肯定比不上CPU内部的存储器，但是能弥补存储空间的不足。

【L1高速缓存】：
L1高速缓存的访问速度几乎和寄存器一样快，通常只需要2-4个时钟周期，而大小在几十KB到几百KB不等。每个CPU核心都有一块属于自己的L1高速缓存，指令和数据在L1是分开存放的，所以L1高速缓存通常分成指令缓存和数据缓存。
【L2高速缓存】：
L2高速缓存同样每个CPU核心都有，但是L2高速缓存位置比L1告诉缓存距离CPU核心更远，它大小比L1高速缓存更大，CPU型号不同大小也就不同，通常大小在几百KB到几MB不等，访问速度则更慢，速度在10-20个时钟周期。
【L3高速缓存】：
L3高速缓存通常是多个CPU核心共用的，位置比L2高速缓存距离CPU核心更远，大小也会更大些，通常大小在几MB-几十MB不等，具体值根据CPU型号而定。访问速度相对也比较慢一些，访问速度在20-60个时钟周期。
【内存】：
内存相比于CPU Cache的存储容量更大，但是访问速度会更慢，内存速度大概在200-300个时钟周期之间。

【SSD/HDD硬盘】：
SSD就是固定硬盘，结构与内存相似，但是它相比内存的优点是断点后数据还是存在的，而内存、寄存器、高速缓存断电后数据都会丢失，内存的读写速度比SSD大概快10-1000倍。
传统的机械硬盘，是通过物理读写的方式来访问数据的，因此它的访问速度是非常慢的，它的速度比内存慢10W倍左右。

1.4CPU缓存一致性

数据不光只有读操作，还有写操作，如果数据写入Cache后，内存与Cache相对应的数据不同了，就需要把Cache中的数据同步到内存里。两种数据写回的方法：写直达、写回。
【写直达】：保持内存与Cache一致性的最简单的方式是，把数据同时写入内存和Cache中，这种方式是写直达
【写回】：写直达由于每次写操作都会把数据写回内存，导致影响性能，于是为了减少数据写回内存的频率，就出现了写回的方法。在写回机制中，当发生写操作时，新的数据仅仅被写入Cache Block里，只有当修改过的Cache Block被替换时才需要写内存中，减少了数据写回内存的频率，这样便可以提高系统的性能。

1.5缓存一致性问题

要实现缓存一致性，就必须保证以下两点：
（1）某个CPU核心里的Cache数据更新时，必须要传播到其他核心的Cache，这个称为写传播；
（2）某个CPU核心里对数据的操作顺序，必须在其他核心看起来顺序是一样的，这个称为事务的串行化；
打个比方，现在我们有一个含有4个核心的CPU，这4个核心都操作共同的变量i。A号核心先把i变量值变为100，而此时同一时间，B号核心先把i值变为200，这里两个修改，都会传播到C和D号核心。

那么现在问题就来了，C号核心先收到了A号核心更新数据的事件，再收到B号核心更新数据的事件，因此C号核心看到变量i是先变成100，再变成200。而如果D号核心收到的事件是反过来的，则D号核心看到变量i先变成200，再变成100，虽然是做到了写传播，但是各个Cache里面的数据还是不一致的。
所以，我们要保证C号核心和D号核心都能看到相同顺序的数据变化，比如变量i都是先变成100，再变成200，这样的过程就是事务的串行化。所以要实现事务串行化，就必须要做到两点：（1）CPU核心对于Cache中数据的操作，需要同步给其他CPU核心；（2）要引入锁的概念，如果两个CPU核心里有相同数据的Cache，那么对于这个Cache数据的更新，只有拿到了锁，才能进行对应的数据更新。
【总线嗅探】
写传播的原则就是当某个CPU核心更新了Cache中的数据，要把该事件广播给其他核心。最常见的方式就是总线嗅探。打个比方：
A号CPU核心修改了L1Cache中i变量的值，通过总线把这个事件广播通知给其他所有的核心，然后每个CPU核心都会监听总线上的广播事件，并检查是否有相同的数据在自己的L1Cache里面，如果B号CPU核心的L1Cache中有该数据，那么也需要把该数据更新到自己的L1 Cache。总线嗅探的方法很简单，CPU需要每时每刻监听总线上的一切活动，但是不管别的核心的Cache是否缓存相同的数据，都需要发出一个广播事件，这无疑会加重总线的负载。另外，总线嗅探只是保证了某个CPU核心的Cache更新数据这个事件能被其他CPU核心知道，但是并不能保证事务串行化。
【MESI协议】
MESI协议基于总线嗅探的机制实现了事务串行化，也用状态机机制降低了总线带宽压力，协议做到了CPU缓存一致性。举个例子：
（1）当A号核心从内存读取变量i的时候，数据被缓存在A号核心自己的Cache里面，此时其他CPU核心的Cache没有缓存该数据，于是Cache Line状态为独占，此时其Cache中的数据与内存是一致的。
（2）然后B号核心也从内存读取变量i的值，此时会发送消息给其他CPU核心，由于A号CPU核心已经缓存了该数据，所以会把数据返回给B号核心。这个时候，A和B核心缓存了相同的数据，Cache Line的状态就会变成共享，并且其Cache中的数据与内存也是一致的；
（3）当A号核心要修改Cache中变量i的值，发现数据对应的Cache Line的状态是共享状态，则要向所有其他的CPU核心广播一个请求，要求先把其他核心的Cache中对应的Cache Line标记为无效状态，然后A号核心才更新Cache里面的数据，同时Cache Line为已修改状态，此时Cache中的数据就与内存不一致了。
（4）如果A号核心继续修改Cache中i变量的值，由于此时Cache Line是已修改状态，因此不需要给其他CPU核心发送消息，直接更新数据即可。
（5）如果A号核心的Cache里i变量对应的Cache Line要被替换，发现Cache Line状态是已修改状态，就会在替换前先把数据同步到内存。
所以，可以发现当Cache Line状态是已修改或者是独占状态时，修改更新其数据不需要发送广播给其他CPU核心，这在一定程度上减轻了总线带宽压力。

1.6说说缓存行与伪共享？

缓存行：Cache中的数据是按块读取的，当CPU访问某个数据时，会将该数据连同附近区域的数据(共64字节)一起读取进缓存中，那么这一块数据成为一个缓存行。缓存系统是以缓存行为单位存储的，目前主流的CPU Cache的Cache Line大小都是64字节。
伪共享：举个例子
假设有个双核心的CPU，这两个CPU核心并行运行着两个不同的线程，它们同时从内存中读取两个不同的数据，分别是类型为long的变量A和B，这两个数据的地址在物理内存上是连续的，且这两个数据是位于同一个Cache Line中，那么这两个数据会被同时读入到两个CPU核心各自Cache中。

（1）最开始变量A和B都还不在Cache里面，假设1号核心绑定了线程A，2号核心绑定了线程B，线程A只会读写变量A，线程B只会读写变量B。
（2）1号核心读取变量A，由于CPU从内存读取数据到Cache的单位是Cache Line，也正好变量A和变量B的数据归属于同一个Cache Line，所以A和B的数据都会被加载到Cache，并将此Cache Line标记为独占状态。
（3）接着2号核心开始从内存中读取变量B，同样的也是读取Cache Line大小的数据到Cache中，此Cache Line中的数据页包含了变量A和变量B，此时1号核心和2号核心得到Cache Line状态变为共享状态。
（4）1号核心需要修改变量A，发现此Cache Line的状态是共享状态，所以先需要通过总线发送消息给2号核心，通知2号核心把Cache中对应的Cache Line标记为已失效状态，然后1号核心对应的Cache Line状态变为已修改状态，并且修改变量A。
（5）之后，2号核心需要修改变量B，此时2号核心的Cache中对应的Cache Line是已失效状态，另外由于1号核心的Cache也有此相同的数据，且状态为已修改状态，所以要先把1号核心的Cache对应的Cache Line写回到内存，然后2号核心再从内存读取Cache Line大小的数据到Cache中，最后把变量B修改到2号核心的Cache中，并将状态标记为已修改状态。
可以发现如果1号和2号CPU核心这样持续交替的分别修改变量A和B，就会重复4和5这两个步骤，Cache没有起到缓存的效果，虽然变量A和B之间其实并没有任何的关系，但是因为同时归属于一个Cache Line，这个Cache Line中的任意数据被修改后，都会相互影响。
伪共享：多个线程同时读写同一个Cache Line的不同变量时，而导致CPU Cache失效的现象称为伪共享。

1.7说说怎么解决伪共享的问题的？

对于多个线程共享的热点数据，应该避免这些数据刚好在同一个缓存行中，否则就会出现伪共享的问题。结构体里的两个成员变量a和b在物理内存地址上是连续的，于是它们可能就位于同一个Cache Line中。

避免Cache伪共享实际上是用空间换时间的思想，浪费一部分的Cache空间，从而换来性能上的提升。

有一个Java并发框架Disrupt使用字节填充的方式，来避免伪共享的问题。Disruptor中有一个RingBuffer类会经常被多个线程使用，代码如下：

RingBufferPad类里有7个long类型的变量，他们对性能的提升起到了至关重要的作用。缓存行的大小是64个字节，long类型的变量是8个字节，所以cpu一下子会加载7个long类型的无用变量和1个long类型的实际数据。

并且RingBufferFields里面定义的这些变量都是final修饰的，意味着第一次加载之后不会再修改。又由于前后各填充了7个不会被读写的long类型变量，所以无论怎么加载Cache Line，这整个Cache Line里都没有会发生更新操作的数据，于是只要数据被频繁地读取访问，就自然没有数据被换出Cache的可能，也因此不会产生伪共享的问题。

1.8说说什么是中断、什么是软中断？什么是硬中断？

举个例子，我在刷力扣的时候肚子饿了点了个外卖，点完了以后就一直在刷力扣，等外卖员给我打电话。当我收到电话后，我就需要放下手中的力扣题，然后下楼的接外卖。这里的接收到外卖员的电话对应的就是计算机中的中断。中断就是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力，操作系统收到了中断请求后，会打断其他进程的进行，来尽快处理中断处理程序，尽可能快得执行完，这样可以减少对正常进程运行调度的影响。
中断处理程序在响应中断时，可能还会【临时关闭中断】。意思是，在当前中断处理程序没有执行完之前，系统中其他的中断请求都无法被响应，中断有可能会丢失，所以中断处理程序要短且快。打个比方，我在刷力扣题，点了两份外卖，分别是一份小龙虾和两瓶啤酒，这两份外卖是不同的外卖员来配送的，如果我先收到了小龙虾外卖员的电话，放下手里的力扣题，这时候他打电话和我说了一堆，那在打电话期间如果啤酒的外卖员也打电话过来，就有可能造成中断丢失。所以说，就必须要尽快处理中断程序，避免中断丢失。所以就提出了软中断的概念。要解决这个问题就是，小龙虾外卖员打电话过来的时候，让他下楼等着，有啥事到那再说，不能一直占用着电话的资源；
【软中断】：
Linux系统为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题，将中断过程分为了两个阶段，分别是：
（1）上半部分(硬中断)用来快速处理中断，一般会暂时关闭中断请求，主要负责处理跟硬件紧密相关或时间敏感的事情。
（2）下半部分(软中断)用来延迟处理上半部分尚未完成的工作，一般以内核线程的方式运行。
【常见例子】：
当网卡接收网络包后，会通过中断信号通知内核有新的数据到了，内核会调用对应的中断处理程序来响应这个事件，这个事件的处理分为两部分：上部分要做到快速处理，所以只要把网卡的数据读到内存中，然后更新一下硬件寄存器的状态，比如把状态更新为表示数据已经读到内存中的状态值；接着，内核会触发一个软中断，把一些处理比较耗时且复杂的工作，交给软中断处理程序来做，从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对网络数据进行解析、处理，最后把数据给应用程序。