現(xiàn)代計算機模型是基于-馮諾依曼計算機模型

計算機在運行時，先從內(nèi)存中取出第一條指令，通過控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲器中取出數(shù)據(jù)進行指定的運算和邏輯操作等加工，然后再按地址把結(jié)果送到內(nèi)存中去。接下來，再取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規(guī)定操作。依此進行下去。直至遇到停止指令。

程序與數(shù)據(jù)一樣存貯，按程序編排的順序，一步一步地取出指令，自動地完成指令規(guī)定的操作是計算機最基本的工作模型。這一原理最初是由美籍匈牙利數(shù)學家馮.諾依曼于1945年提出來的，故稱為馮.諾依曼計算機模型。

計算機五大核心組成部分

1. 控制器(Control)：是整個計算機的中樞神經(jīng)，其功能是對程序規(guī)定的控制信息進行解釋，根據(jù)其要求進行控制，調(diào)度程序、數(shù)據(jù)、地址，協(xié)調(diào)計算機各部分工作及內(nèi)存與外設的訪問等。

2. 運算器(Datapath)：運算器的功能是對數(shù)據(jù)進行各種算術運算和邏輯運算，即對數(shù)據(jù)進行加工處理。

3. 存儲器(Memory)：存儲器的功能是存儲程序、數(shù)據(jù)和各種信號、命令等信息，并在需要時提供這些信息。

4. 輸入(Input system)：輸入設備是計算機的重要組成部分，輸入設備與輸出設備合你為外部設備，簡稱外設，輸入設備的作用是將程序、原始數(shù)據(jù)、文字、字符、控制命令或現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)等信息輸入到計算機。常見的輸入設備有鍵盤、鼠標器、光電輸入機、磁帶機、磁盤機、光盤機等。

5. 輸出(Output system)：輸出設備與輸入設備同樣是計算機的重要組成部分，它把外算機的中間結(jié)果或最后結(jié)果、機內(nèi)的各種數(shù)據(jù)符號及文字或各種控制信號等信息輸出出來。微機常用的輸出設備有顯示終端CRT、打印機、激光印字機、繪圖儀及磁帶、光盤機等。

現(xiàn)代計算機當中的硬件結(jié)構(gòu)設計：

CPU指令結(jié)構(gòu)

CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)

控制單元
運算單元
數(shù)據(jù)單元

控制單元

控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR（Instruction Register）、指令譯碼器ID（Instruction Decoder）和操作控制器OC（Operation Controller）等組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶預先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過指令譯碼（分析）確定應該進行什么操作，然后通過操作控制器OC，按確定的時序，向相應的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括：節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時鐘脈沖發(fā)生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。

運算單元

運算單元是運算器的核心?？梢詧?zhí)行算術運算（包括加減乘數(shù)等基本運算及其附加運算）和邏輯運算（包括移位、邏輯測試或兩個值比較）。相對控制單元而言，運算器接受控制單元的命令而進行動作，即運算單元所進行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。

存儲單元

存儲單元包括 CPU 片內(nèi)緩存Cache和寄存器組，是 CPU 中暫時存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)，CPU 訪問寄存器所用的時間要比訪問內(nèi)存的時間短。寄存器是CPU內(nèi)部的元件，寄存器擁有非常高的讀寫速度，所以在寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送非常快。采用寄存器，可以減少 CPU 訪問內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了 CPU的工作速度。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應的數(shù)據(jù)；而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途。

CPU緩存結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代CPU為了提升執(zhí)行效率，減少CPU與內(nèi)存的交互(交互影響CPU效率)，一般在CPU上集成了多級緩存架構(gòu)，常見的為三級緩存結(jié)構(gòu)

L1 Cache，分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存，邏輯核獨占
L2 Cache，物理核獨占，邏輯核共享
L3 Cache，所有物理核共享

存儲器存儲空間大?。簝?nèi)存>L3>L2>L1>寄存器；

存儲器速度快慢排序：寄存器>L1>L2>L3>內(nèi)存；

還有一點值得注意的是：緩存是由最小的存儲區(qū)塊-緩存行(cacheline)組成，緩存行大小通常為64byte。

緩存行是什么意思呢？

比如你的L1緩存大小是512kb,而cacheline = 64byte,那么就是L1里有512 * 1024/64個cacheline

CPU讀取存儲器數(shù)據(jù)過程

1、CPU要取寄存器X的值，只需要一步：直接讀取。

2、CPU要取L1 cache的某個值，需要1-3步（或者更多）：把cache行鎖住，把某個數(shù)據(jù)拿來，解鎖，如果沒鎖住就慢了。

3、CPU要取L2 cache的某個值，先要到L1 cache里取，L1當中不存在，在L2里，L2開始加鎖，加鎖以后，把L2里的數(shù)據(jù)復制到L1，再執(zhí)行讀L1的過程，上面的3步，再解鎖。

4、CPU取L3 cache的也是一樣，只不過先由L3復制到L2，從L2復制到L1，從L1到CPU。

5、CPU取內(nèi)存則最復雜：通知內(nèi)存控制器占用總線帶寬，通知內(nèi)存加鎖，發(fā)起內(nèi)存讀請求，等待

回應，回應數(shù)據(jù)保存到L3（如果沒有就到L2），再從L3/2到L1，再從L1到CPU，之后解除總線鎖

定。

CPU為何要有高速緩存

CPU在摩爾定律的指導下以每18個月翻一番的速度在發(fā)展，然而內(nèi)存和硬盤的發(fā)展速度遠遠不及CPU。這就造成了高性能能的內(nèi)存和硬盤價格及其昂貴。然而CPU的高度運算需要高速的數(shù)據(jù)。為了解決這個問題，CPU廠商在CPU中內(nèi)置了少量的高速緩存以解決IO速度和CPU運算速度之間的不匹配問題。在CPU訪問存儲設備時，無論是存取數(shù)據(jù)抑或存取指令，都趨于聚集在一片連續(xù)的區(qū)域中，這就被稱為局部性原理。

時間局部性（Temporal Locality）：如果一個信息項正在被訪問，那么在近期它很可能還會被再次訪問。比如循環(huán)、遞歸、方法的反復調(diào)用等。
空間局部性（Spatial Locality）：如果一個存儲器的位置被引用，那么將來他附近的位置也會被引用。比如順序執(zhí)行的代碼、連續(xù)創(chuàng)建的兩個對象、數(shù)組等。

帶有高速緩存的CPU執(zhí)行計算的流程

1. 程序以及數(shù)據(jù)被加載到主內(nèi)存

2. 指令和數(shù)據(jù)被加載到CPU的高速緩存

3. CPU執(zhí)行指令，把結(jié)果寫到高速緩存

4. 高速緩存中的數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存

CPU運行安全等級

CPU有4個運行級別，分別為：

ring0
ring1
ring2
ring3

linux與windows只用到了2個級別:ring0、ring3，操作系統(tǒng)內(nèi)部內(nèi)部程序指令通常運行在ring0級別，操作系統(tǒng)以外的第三方程序運行在ring3級別，第三方程序如果要調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)部函數(shù)功能，由于運行安全級別不夠,必須切換CPU運行狀態(tài)，從ring3切換到ring0,然后執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)，說到這里相信同學們明白為什么JVM創(chuàng)建線程，線程阻塞喚醒是重型操作了，因為CPU要切換運行狀態(tài)。

JVM創(chuàng)建線程CPU的工作過程

step1：CPU從ring3切換ring0創(chuàng)建線程
step2：創(chuàng)建完畢,CPU從ring0切換回ring3
step3：線程執(zhí)行JVM程序
step4：線程執(zhí)行完畢，銷毀還得切會ring0

操作系統(tǒng)內(nèi)存管理

執(zhí)行空間保護

操作系統(tǒng)有用戶空間與內(nèi)核空間兩個概念，目的也是為了做到程序運行安全隔離與穩(wěn)定，以

32位操作系統(tǒng)4G大小的內(nèi)存空間為例

Linux為內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)預留了幾個頁框，這些頁永遠不會被轉(zhuǎn)出到磁盤上。從0x00000000 到 0xc0000000（PAGE_OFFSET）的線性地址可由用戶代碼和內(nèi)核代碼進行引用（即用戶空間）。從0xc0000000（PAGE_OFFSET）到 0xFFFFFFFFF的線性地址只能由內(nèi)核代碼進行訪問（即內(nèi)核空間）。內(nèi)核代碼及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都必須位于這 1 GB的地址空間中，但是對于此地址空間而言，更大的消費者是物理地址的虛擬映射。

這意味著在 4 GB 的內(nèi)存空間中，只有 3 GB 可以用于用戶應用程序。進程與線程只能運行在用戶方式（usermode）或內(nèi)核方式（kernelmode）下。用戶程序運行在用戶方式下，而系統(tǒng)調(diào)用運行在內(nèi)核方式下。在這兩種方式下所用的堆棧不一樣：用戶方式下用的是一般的堆棧(用戶空間的堆棧)，而內(nèi)核方式下用的是固定大小的堆棧（內(nèi)核空間的對戰(zhàn)，一般為一個內(nèi)存頁的大小），即每個進程與線程其實有兩個堆棧，分別運行與用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)。

由空間劃分我們再引深一下，CPU調(diào)度的基本單位線程，也劃分為：

1、內(nèi)核線程模型(KLT)

2、用戶線程模型(ULT)

內(nèi)核線程模型

內(nèi)核線程(KLT)：系統(tǒng)內(nèi)核管理線程(KLT),內(nèi)核保存線程的狀態(tài)和上下文信息，線程阻塞不會引起進程阻塞。在多處理器系統(tǒng)上，多線程在多處理器上并行運行。線程的創(chuàng)建、調(diào)度和管理由內(nèi)核完成，效率比ULT要慢，比進程操作快。

用戶線程模型

用戶線程(ULT)：用戶程序?qū)崿F(xiàn),不依賴操作系統(tǒng)核心,應用提供創(chuàng)建、同步、調(diào)度和管理線程的函數(shù)來控制用戶線程。不需要用戶態(tài)/內(nèi)核態(tài)切換，速度快。內(nèi)核對ULT無感知，線程阻塞則進程（包括它的所有線程）阻塞。

進程與線程

什么是進程？

現(xiàn)代操作系統(tǒng)在運行一個程序時，會為其創(chuàng)建一個進程；例如，啟動一個JAVA程序，操作系統(tǒng)就會創(chuàng)建一個Java進程。進程是OS(操作系統(tǒng))資源分配的最小單位。

什么是線程？

線程是OS(操作系統(tǒng))調(diào)度CPU的最小單元，也叫輕量級進程（Light Weight Process），在一個進程里可以創(chuàng)建多個線程，這些線程都擁有各自的計數(shù)器、堆棧和局部變量等屬性，并且能夠訪問共享的內(nèi)存變量。CPU在這些線程上高速切換，讓使用者感覺到這些線程在同時執(zhí)行，即并發(fā)的概念，相似的概念還有并行！線程上下文切換過程：