生活_傻大方

  1. 首页 > 潮·科技 > >

并发编程从操作系统底层工作整体认识开始( 三 )


下表列出了CPU关键技术的发展历程以及代表系列 ， 每一个关键技术的诞生都是环环相扣的 ， 处理器这些技术发展历程都围绕着如何不让“CPU闲下来”这一个核心目标展开 。
并发编程从操作系统底层工作整体认识开始文章插图
CPU缓存结构现代CPU为了提升执行效率 ， 减少CPU与内存的交互(交互影响CPU效率) ， 一般在CPU上集成了多级缓存架构 ， 常见的为三级缓存结构

  • L1 Cache ， 分为数据缓存和指令缓存 ， 逻辑核独占
  • L2 Cache ， 物理核独占 ， 逻辑核共享
  • L3 Cache ， 所有物理核共享

并发编程从操作系统底层工作整体认识开始文章插图
  • 存储器存储空间大小：内存>L3>L2>L1>寄存器；
  • 存储器速度快慢排序：寄存器>L1>L2>L3>内存；
注意：缓存是由最小的存储区块-缓存行(cacheline)组成 ， 缓存行大小通常为64byte 。
缓存行是什么意思呢？ 比如你的L1缓存大小是512kb,而cacheline = 64byte,那么就是L1里有512 * 1024/64个cacheline
CPU读取存储器数据过程
  1. CPU要取寄存器X的值 ， 只需要一步：直接读取 。
  2. CPU要取L1 cache的某个值 ， 需要1-3步（或者更多）：把cache行锁住 ， 把某个数据拿来 ， 解锁 ， 如果没锁住就慢了 。
  3. CPU要取L2 cache的某个值 ， 先要到L1 cache里取 ， L1当中不存在 ， 在L2里 ， L2开始加锁 ， 加锁以后 ， 把L2里的数据复制到L1 ， 再执行读L1的过程 ， 上面的3步 ， 再解锁 。
  4. CPU取L3 cache的也是一样 ， 只不过先由L3复制到L2 ， 从L2复制到L1 ， 从L1到CPU 。
  5. CPU取内存则最复杂：通知内存控制器占用总线带宽 ， 通知内存加锁 ， 发起内存读请求 ， 等待回应 ， 回应数据保存到L3（如果没有就到L2） ， 再从L3/2到L1 ， 再从L1到CPU ， 之后解除总线锁定 。
CPU为何要有高速缓存CPU在摩尔定律的指导下以每18个月翻一番的速度在发展 ， 然而内存和硬盘的发展速度远远不及CPU 。 这就造成了高性能能的内存和硬盘价格及其昂贵 。 然而CPU的高度运算需要高速的数据 。 为了解决这个问题 ， CPU厂商在CPU中内置了少量的高速缓存以解决I\O速度和CPU运算速度之间的不匹配问题 。
在CPU访问存储设备时 ， 无论是存取数据抑或存取指令 ， 都趋于聚集在一片连续的区域中 ， 这就被称为局部性原理 。
  • 时间局部性（Temporal Locality）：如果一个信息项正在被访问 ， 那么在近期它很可能还会被再次访问 。
比如循环、递归、方法的反复调用等 。
  • 空间局部性（Spatial Locality）：如果一个存储器的位置被引用 ， 那么将来他附近的位置也会被引用 。
比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等 。
空间局部性案例：
并发编程从操作系统底层工作整体认识开始文章插图
public class TwoDimensionalArraySum {private static final int RUNS = 100;private static final int DIMENSION_1 = 1024 * 1024;private static final int DIMENSION_2 = 6;private static long[][] longs;public static void main(String[] args) throws Exception {/** 初始化数组*/longs = new long[DIMENSION_1][];for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++) {longs[i] = new long[DIMENSION_2];for (int j = 0; j < DIMENSION_2; j++) {longs[i][j] = 1L;}}System.out.println("Array初始化完毕....");long sum = 0L;long start = System.currentTimeMillis();for (int r = 0; r < RUNS; r++) {for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++) {//DIMENSION_1=1024*1024for (int j=0;j带有高速缓存的CPU执行计算的流程
  1. 程序以及数据被加载到主内存
  2. 指令和数据被加载到CPU的高速缓存
  3. CPU执行指令 ， 把结果写到高速缓存
  4. 高速缓存中的数据写回主内存
CPU运行安全等级CPU有4个运行级别 ， 分别为：
  • ring0
  • ring1
  • ring2
  • ring3
Linux与Windows只用到了2个级别:ring0、ring3 ， 操作系统内部内部程序指令通常运行在ring0级别 ， 操作系统以外的第三方程序运行在ring3级别 ， 第三方程序如果要调用操作系统内部函数功能 ， 由于运行安全级别不够,必须切换CPU运行状态 ， 从ring3切换到ring0,然后执行系统函数 ， 说到这里相信大家明白为什么JVM创建线程 ， 线程阻塞唤醒是重型操作了 ， 因为CPU要切换运行状态 。下面我大概梳理一下JVM创建线程CPU的工作过程



上一篇：离开|那个成功套现15亿，离开摩拜单车的美女创始人，如今生活过得怎样

下一篇：用户|马化腾给所有的微信用户送了一份“第二职业”，挣多挣少各凭本事