练内功，打怪升级，近一年第一次写点技术blog，今天主要介绍以下几个模块
- CPU的组成和特性
- 缓存
- 进程调度
- 内存管理
CPU
二话不说，先上一张图
** 写东西先学习轮廓 **
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ALU: Arithmetic Logic Unit （逻辑运算单元），按字面意思所说，就是一个纯粹计算的单元，输入二进制码，输出二进制结果，我个人习惯把它称为计算机的大脑，一台计算机的算力就是它决定的
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PC:Program Count （程序计数器），存放指令在内存中的地址，下一条指令地址并不是物理上+1，要看各个OS指令大小
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Register:寄存器，暂时存储CPU计算需要用到的数据
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CU:Control Unit（控制单元），控制CPU工作的流程
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MMU:Memory Management Unit（内存管理单元），1.虚拟地址与物理地址的转换，2.CPU对内存的访问状态
以上可能有三个问题：
- CPU只接受二进制码，那么真正运算的运算符（物理上的加减乘除）咋标识呢，那就是另外有一个小知识点，计算机只识别机器语言——或与运算，机器语言之上就是汇编语言，再上层就是C/C++/java等，那么运算符其实就是汇编语言与机器语言有一个映射关系，例如000111代表add（只是举例，并不是这个二进制数），这样对CPU来说，完完全全就是接收二进制数了，汇编语言总的来说就是机器语言的助记符
- 地址:地址分为逻辑地址、虚拟地址（线性地址）和物理地址，一个应用程序在计算机上运行之后就是一个进程，OS老大会为每个进程分配一个逻辑地址，那么每条执行路径（也就是线程）在执行的时候，存/取数据需要定位到磁盘的某个位置上，这个磁盘的位置就是物理地址，前面说到MMU就是做虚拟地址与物理地址的转换，那虚拟地址是啥呢？它其实是逻辑地址+偏移量,偏移量就是每个线程变量在进程上的偏移，换句话说偏移量 + 段的基地址 = 线性地址 （虚拟空间）,线性地址通过 OS + MMU（硬件 Memory Management Unit）转换成物理地址
- CPU对内存的访问状态:CPU对内存的访问级别有0/1/2/3，在Linux上，只用到ring0和ring3级别，kernel内核能访问ring0级别的内存，用户态则对应ring3级别，常说的用户态和内核态切换就是kernel完成，（启动计算机时有一个保护机制，一部分内存对用户态不可见，自行科普。。。。）
语言最终跟计算机打交道，了解一些计算机底层的工作原理，不仅有助于理解我们应用程序到底是如何执行的，更重要的是这个设计理念，很多上层的衍生物。例如JVM、中间件等都有参考这个原理和设计，小思考题，
1.CPU的结构能联想到Hotspot JVM的内存模型吗？？？？
2.超线程的模型应该是什么样的？？？？
缓存
二话不说，也是先上图
***科普一下（不重要，权当大概了解一下）：L0——小于1ns，L1——1ns，L2——3ns，L3——15ns，L4——80ns ***
学计算机的都清楚，ALU的计算能力和内存的访问不是一个量级的，而缓存的出现就是对这种不平衡的一种优化，目的就是充分利用CPU，不让它因为回写内存慢而暂停工作.另一方面，缓存本身也是一种存储结构，对缓存的读取并不是说读多少就取多少，底层是按line读取的，简称缓存行，Linux目前是64字节（工业测试所得，无相关理论），当然缓存技术的加入也带来了一个很严重的问题，那就是一致性，著名的缓存一致性协议，见【并发编程】MESI--CPU缓存一致性协议。
以下验证一下缓存行的读取，不明显的话for循环加个量级
public class CacheLinePadding1 {
public static volatile long[] arr = new long[2];//2*8=16，大概率在同一个缓存行
public static void main(String[] args) throws Exception {
Thread t1 = new Thread(()->{
for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
arr[0] = i;
}
});
Thread t2 = new Thread(()->{
for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
arr[1] = i;
}
});
final long start = System.nanoTime();
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println((System.nanoTime() - start)/100_0000);
}
}
public class CacheLinePadding2 {
public static volatile long[] arr = new long[16];//16*8=128=64*2，大概率在不同的缓存行（可能一个是缓存行尾，可能是另一个头）
public static void main(String[] args) throws Exception {
Thread t1 = new Thread(()->{
for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
arr[0] = i;
}
});
Thread t2 = new Thread(()->{
for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
arr[8] = i;
}
});
final long start = System.nanoTime();
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println((System.nanoTime() - start)/100_0000);
}
}
缓存行大小的取舍：
缓存行越大，局部空间性效率更高（相对来说把相邻地址的数据读出来，下次不需要单独再去读），但读取速度越慢（数据比较大的原因）
缓存行越小，局部空间性效率更低，但读取速度越快
那么JDK1.8之前，为了保证变量命中在单独的缓存行，通常都是使用long padding的方式（强制在不同的cache line，仅限于Linux，扩展性差），JDK1.8之后，使用@Contended注解，同时JVM参数-XX:-RestrictContended
插两个小知识点：
1.乱序执行：如果没有依赖或者前后执行顺序不影响结果的两个操作，由于CPU是以时间片的方式执行，操作1的执行时间明显比操作2的执行时间长得多，那么CPU可能先执行操作2的代码的代码逻辑，也符合人类的思维，简单的事情先做，难的事情后做
2.合并写（Write Combining Buffer）：前文提到L1和L2的两个缓存在CPU内，写回L2的速度比L1的慢，那么CPU可能把数据写回L1的同时，先写到一个Combining Buffer（一般4Byte），等这个buffer满了之后再一起写回到L2
3.NUMA：Non Uniform Memory Access，分配内存时优先分配该线程所在CPU最近的内存空间（ZGC使用机制）
以上两个CPU特性，仅仅是为了进一步提高执行效率，注意乱序执行在单CPU是没问题的，也就是as-if_serial，但是在多线程程下有安全性问题，为此JVM和CPU两个层面都给出了解决方案：
JVM:内存屏障（Load/Store）
CPU:计算机原语（iFence/sFence/mFence）和总线锁
进程、线程、纤程（协程）
由上图可知：
**应用程序：进程：线程：纤程=1：N：N:N **
关于这几个的区别，有这么一个标准话语：进程是OS老大资源分配的基本单位，线程是执行调度的基本单位，线程是线程中的线程，纯用户态线程（不跟OS打交道），线程切换效率高，资源分配内存极小，一台计算机可以启10W+的数量，
