Java并发基础（二）| 8月更文挑战Java并发基础二，主要介绍一下CPU基本架构，CPU组成部分，CPU上下文切换具

这是我参与8月更文挑战的第3天，活动详情查看：8月更文挑战

前言

Java并发基础一主要介绍了冯诺依曼计算机模型，进程与线程，线程模型，内核态和用户态等概念，本文主要介绍CPU基本架构，CPU上下文切换的一些场景，介绍CPU硬件架构模型中一些常见的术语。

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。

一般我们的计算机通常都会有两个或者两个以上的CPU组成的

一个多核的CPU也就是一个CPU上有多个处理器核心.
核心又是啥？ 核心（Die）又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。(百度百科：CPU内核)

每个CPU都包含一系列的寄存器，它们是CPU内内存的基础。CPU在寄存器上执行操作的速度远大于在主存上执行的速度。这是因为CPU访问寄存器的速度远大于主存。

即高速缓冲存储器，是位于CPU与主内存间的一种容量较小但速度很高的存储器。高速缓存还分成3级缓存。

一个计算机还包含一个主存。所有的CPU都可以访问主存。主存通常比CPU中的缓存大得多.

CPU读取存储器数据过程

主要依据上面CPU架构图，取不同位置数据的值，经历的过程是不一样的，比如读寄存器里面的值直接读取，读取缓存里面的值，涉及到3级缓存，存在枷锁解锁的过程。

我们知道，Linux 是一个多任务操作系统，它支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。当然，这些任务实际上并不是真的在同时运行，而是因为系统在很短的时间内，将 CPU 轮流分配给它们，造成多任务同时运行的错觉。

每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行，也就是说，需要系统事先帮它设置好 CPU寄存器和程序计数器(Program Counter，PC)。

CPU 寄存器和程序计数器就是 CPU 上下文，因为它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境。

就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

根据任务的不同，CPU的上下文切换可以分为不同的场景，也就是进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换。

Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间，分别对应着下图中， CPU 特权等级的 Ring 0 和 Ring 3。

进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。

进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。
而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。所以，系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。但实际上，系统调用过程中，CPU 的上下文切换还是无法避免的。

进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢?

线程与进程最大的区别在于：线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。说白了，所谓内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程；而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。

为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。