《程序员的自我修养》读书笔记——第一章

波波的包包
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一、三个关键部件

CPU、内存、I/O控制芯片

二、发展史

  • 早期，CPU和内存同频，直接连接在总线上，I/O设备等低速设备通过I/O控制器与总线相连。
  • CPU核心频率远超内存，CPU采用倍频的方式和系统总线通信。系统总线和内存同频。
  • 北桥连接高速组件（内存、图形设备），南桥连接键盘、鼠标、USB等低速设备。
  • SMP：每个CPU在系统相互独立，地位功能完全一致。
  • 多核处理器：多个核心共享缓存。

三、计算机系统软件体系结构

"Any problem in computer science can be solved by another layer of indirection."

  • 层次之间相互通信的协议称为接口。
  • 系统调用接口以软件中断的方式提供。
  • 硬件是接口的定义者，操作系统内核层是接口的使用者。

四、操作系统

两大功能

  • 提供抽象接口
  • 管理硬件资源（CPU、存储器、I/O设备）

CPU调度

  1. 多道程序：
    • CPU闲置时分配给别的程序。
    • 程序调度之间无优先级。
    • 重要任务可能无法得到快速响应。
  2. 分时系统：
    • 每个程序运行一段时间后主动让出CPU。
    • 依赖程序主动让出CPU。
  3. 多任务系统：
    • 操作系统接管所有硬件资源。
    • 操作系统拥有最高权限，CPU由操作系统统一分配。
    • 程序以进程的方式运行，每个进程拥有独立的地址空间。
    • 进程之间有优先级，操作系统可以强制剥夺CPU权限分配给高优先级进程。

硬件抽象

  • 操作系统为开发者提供统一的接口。
  • 硬件生成厂商按照操作系统提供的框架提供硬件驱动程序。

内存分配

  1. 物理内存直接分配：

    1. 地址空间不隔离
    2. 内存使用效率低： 需要将整个程序装入内存。 会有大量的内存换入换出。
    3. 程序运行内存地址不确定

  2. 虚拟地址映射

    每个进程有自己独立的虚拟地址空间。 真实的物理地址映射由操作系统管理。

虚拟地址映射方法

  1. 分段
    • 把程序所需的内存空间映射到等大的物理空间。
    • 地址空间隔离、虚拟空间地址固定都是从0x00000000开始。
    • 无法解决换入换出，内存不足情况依然需要整块换出。
  2. 分页
    • 地址空间（虚拟地址和物理地址）人为的划分为等大的页（4KB或4MB）。 32位虚拟地址空间为4GB，划分为1 048 576个4KB的页。
    • 以页为单位在虚拟页、物理页、磁盘页之间交换和存取数据。

MMU（Memory Management Unit）复制处理虚拟地址的映射。

线程

线程是程序执行流的最小单元。线程由线程ID、当前指令指针（PC）、寄存器集合和堆栈组成。 一个进程的线程共享程序的内存空间（包括代码段、数据段、堆等）以及一些进程级的资源（打开的文件等）。

线程私有线程之间共享（进程所有）
* 局部变量全局变量
* 函数的参数堆上的数据
* 线程局部存储（TLS）函数里的静态变量
* 寄存器（执行流的基本数据）程序代码
打开的文件

线程调度

线程状态：

  • 运行
  • 就绪
  • 等待

调度算法： 优先级调度、轮转法 高优先级的线程会更早的执行。IO密集型线程会比CPU密集型更容易得到优先级的提升。 IO密集型线程会频繁的进入等待状态，让出CPU时间。 饿死：一个线程的优先级较低，始终无法得到执行。 为了避免饿死，调度系统会提升那些等待了很长时间得不到执行的线程。线程在时间片用尽之后会被强制剥夺继续执行的权利，称为抢占。

Linux的多线程

Linux将所有的执行实体（无论线程还是进程）都称为任务。 fork产生一个新的任务，新任务和原任务执行相同的任务镜像，同时读取一段内存，在任意一个任务对内存发生修改时复制一份以单独使用（写时复制）。 新任务通过调用exec来执行新的可执行文件。

线程安全

一个操作被编译为汇编代码后不止一条指令，它在执行的时候就可能会被线程调度打断，导致共享的全局变量和堆数据可能被其他线程改变。 例如：i++被clang编译器翻译为三条指令。 原子操作：单指令的操作，不会被打断。

同步与锁

多个线程同时读取并不会导致线程安全问题，只有非原子型操作对数据进行修改时才需要同步机制来避免出错。 线程在访问数据之前需要先获取锁，访问结束后释放锁。在锁被占用的时候，线程会等待，直到锁重新可用。

  1. 信号量：
    • 获取信号量，信号量值-1。
    • 如果信号量的值小于0，线程阻塞，否则继续执行。
    • 访问资源结束，释放信号。
    • 信号量的值+1。
    • 信号量的值大于1，唤醒一个阻塞的线程。
    • 信号量可以由一个线程获取另一个线程释放。
  2. 互斥量：
    • 类似于二元信号量，资源只允许被一个线程访问。
    • 哪个线程获取互斥量，哪个线程释放。
  3. 临界区：
    • 信号量和互斥量进程间可见。
    • 临界量作用范围仅限于本进程，其他进程无法获取该锁。
  4. 读写锁：
    • 自由状态：可以被获取并进入共享或独占状态。
    • 共享状态：可以以共享方式被获取，等到所有其他线程都释放了可以被独占获取并进入独占状态。
    • 独占状态：阻止任何其他线程获取该锁。
  5. 条件变量：
    • 线程可以等待条件变量。
    • 线程可以唤醒条件变量。
    • 条件变量被唤醒，所有等待该条件变量的线程都恢复执行。

DCL, Double Check Lock Singleton

volatile T* pInst = 0;      # volatile 阻止编译器将变量缓存到寄存器而不写回
T* GetInstance()
{
    if(pInst == NULL)
    {
        lock();             # 只在初始化的时候加锁
        if(pInst == NULL)
            pInst = new T;
        unlock();
    }
    return pInst;
}

new 操作做了什么

  • （1）为对象分配内存

  • （2）调用构造函数初始化对象

  • （3）返回内存地址 编译器优化后，步骤（2）和步骤（3）的执行顺序会颠倒，所以DCL单例也不是线程安全的。

  • [1] DDJ_Jul_Aug_2004_revised

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