操作系统的整体结构认识
# 操作系统的整体结构认识
# 一、冯 诺伊曼 计算机模型
计算机五大核心组成部分
控制器(Control)：是整个计算机的中枢神经，其功能是对程序规定的控制信息进行解释，根据其要求进行控制，调度程序、数据、地址，协调计算机各部分工作及内存与外设的访问等。
运算器(Datapath)：运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算，即对数据进行加工处理。
存储器(Memory)：存储器的功能是存储程序、数据和各种信号、命令等信息，并在需要时提供这些信息。
输入(Input system)：输入设备是计算机的重要组成部分，输入设备与输出设备合你为外部设备，简称外设，输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入到计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等。
输出(Output system)：输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分，它把外算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来。微机常用的输出设备有显示终端CRT、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等。
# 二、CPU
# 1、CPU内部结构
控制单元
控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）和 操作控制器OC（Operation Controller) 等组成，对协调整个电脑有序工作极为重要
运算单元
运算单元是运算器的核心。可以执行算术运算（包括加减乘数等基本运算及其附加运算）和逻辑运算（包括移位、逻辑测试或两个值比较）
存储单元
存储单元包括 CPU 片内缓存Cache和寄存器组，是 CPU 中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU 访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短
# 2、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
还有一点值得注意的是：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。
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。
局部性原理
时间局部性
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，这些往往被认为调用优先级比较高
空间局部性
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。
举个空间局部性原则例子,二维数组的横向操作和纵向操作耗时对比：
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*1024 for (int j=0;j<DIMENSION_2;j++){//6 sum+=longs[i][j]; } } } System.out.println("spend time1:"+(System.currentTimeMillis()-start)); System.out.println("sum1:"+sum); sum = 0L; start = System.currentTimeMillis(); for (int r = 0; r < RUNS; r++) { for (int j=0;j<DIMENSION_2;j++) {//6 for (int i = 0; i < DIMENSION_1; i++){//1024*1024 sum+=longs[i][j]; } } } System.out.println("spend time2:"+(System.currentTimeMillis()-start)); System.out.println("sum2:"+sum); } }1
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# 3、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，说到这里相信同学们明白为什么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
step1：CPU从ring3切换ring0创建线程
step2：创建完毕,CPU从ring0切换回ring3
step3：线程执行JVM程序
step4：线程执行完毕，销毁还得切回ring0
# 三、内存管理
# 1、执行空间保护
操作系统有用户空间与内核空间两个概念，目的也是为了做到程序运行安全隔离与稳定
# 2、线程模型
内核线程模型(KLT)
系统内核管理线程(KLT),内核保存线程的状态和上下文信息，线程阻塞不会引起进程阻塞。在多处理器系统上，多线程在多处理器上并行运行。线程的创建、调度和管理由内核完成，效率比ULT要慢，比进程操作快。
用户线程模型(ULT)
用户程序实现,不依赖操作系统核心,应用提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。不需要用户态/内核态切换，速度快。内核对ULT无感知，线程阻塞则进程（包括它的所有线程）阻塞。
# 3、进程与线程
什么是进程？
现代操作系统在运行一个程序时，会为其创建一个进程；例如，启动一个Java程序，操作系统就会创建一个Java进程。进程是OS(操作系统)资源分配的最小单位。
什么是线程？
线程是OS(操作系统)调度CPU的最小单元，也叫轻量级进程（Light Weight Process），在一个进程里可以创建多个线程，这些线程都拥有各自的计数器、堆栈和局部变量等属性，并且能够访问共享的内存变量。CPU在这些线程上高速切换，让使用者感觉到这些线程在同时执行，即并发的概念，相似的概念还有并行！
线程上下文切换过程：
