肉眼看计算机是由 CPU 、内存、显示器这些硬件设备组成，但大部分人从事的是软件开发工作。计算机底层原理就是连通硬件和软件的桥梁，理解计算机底层原理才能在程序设计这条路上越走越快，越走越轻松。从操作系统层面去理解高级编程语言的执行过程，会发现好多软件设计都是同一种套路，很多语言特性都依赖于底层机制，今天为你一一揭秘。
enter image description here 我们先来分析 CPU 的工作原理，现代 CPU 芯片中大都集成了，控制单元，运算单元，存储单元。控制单元是 CPU 的控制中心， CPU 需要通过它才知道下一步做什么，也就是执行什么指令，控制单元又包含：指令寄存器（IR ），指令译码器（ ID ）和操作控制器（ OC ）。 当程序被加载进内存后，指令就在内存中了，这个时候说的内存是独立于 CPU 外的主存设备，也就是 PC 机中的内存条，指令指针寄存器IP 指向内存中下一条待执行指令的地址，控制单元根据 IP寄存器的指向，将主存中的指令装载到指令寄存器。 这个指令寄存器也是一个存储设备，不过他集成在 CPU 内部，指令从主存到达 CPU 后只是一串 010101 的二进制串，还需要通过译码器解码，分析出操作码是什么，操作数在哪，之后就是具体的运算单元进行算术运算（加减乘除），逻辑运算（比较，位移）。而 CPU 指令执行过程大致为：取址（去主存获取指令放到寄存器），译码（从主存获取操作数放入高速缓存 L1 ），执行（运算）。
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这里解释下上图中 CPU 内部集成的存储单元 SRAM ，正好和主存中的 DRAM 对应， RAM 是随机访问内存，就是给一个地址就能访问到数据，而磁盘这种存储媒介必须顺序访问，而 RAM 又分为动态和静态两种，静态 RAM 由于集成度较低，一般容量小，速度快，而动态 RAM 集成度较高，主要通过给电容充电和放电实现，速度没有静态 RAM 快，所以一般将动态 RAM 做为主存，而静态 RAM 作为 CPU 和主存之间的高速缓存 （cache），用来屏蔽 CPU 和主存速度上的差异，也就是我们经常看到的 L1 ， L2 缓存。每一级别缓存速度变低，容量变大。
下图展示了存储器的层次化架构，以及 CPU 访问主存的过程，这里有两个知识点，一个是多级缓存之间为保证数据的一致性，而推出的缓存一致性协议，具体可以参考这篇文章，另外一个知识点是， cache 和主存的映射，首先要明确的是 cahce 缓存的单位是缓存行，对应主存中的一个内存块，并不是一个变量，这个主要是因为 CPU 访问的空间局限性：被访问的某个存储单元，在一个较短时间内，很有可能再次被访问到，以及空间局限性：被访问的某个存储单元，在较短时间内，他的相邻存储单元也会被访问到。
而映射方式有很多种，类似于 cache 行号 = 主存块号 mod cache总行数 ，这样每次获取到一个主存地址，根据这个地址计算出在主存中的块号就可以计算出在 cache 中的行号。
下面我们接着聊 CPU 的指令执行。取址、译码、执行，这是一个指令的执行过程，所有指令都会严格按照这个顺序执行。但是多个指令之间其实是可以并行的，对于单核 CPU 来说，同一时刻只能有一条指令能够占有执行单元运行。这里说的执行是 CPU 指令处理 （取指，译码，执行） 三步骤中的第三步，也就是运算单元的计算任务。 所以为了提升 CPU 的指令处理速度，所以需要保证运算单元在执行前的准备工作都完成，这样运算单元就可以一直处于运算中，而刚刚的串行流程中，取指，解码的时候运算单元是空闲的，而且取指和解码如果没有命中高速缓存还需要从主存取，而主存的速度和 CPU 不在一个级别上，所以指令流水线 可以大大提高 CPU 的处理速度，下图是一个3级流水线的示例图，而现在的奔腾 CPU 都是32级流水线，具体做法就是将上面三个流程拆分的更细。
enter image description here 除了指令流水线， CPU 还有分支预测，乱序执行等优化速度的手段。好了，我们回到正题，一行 Java 代码是怎么执行的？ 一行代码能够执行，必须要有可以执行的上下文环境，包括：指令寄存器、数据寄存器、栈空间等内存资源，然后这行代码必须作为一个执行流能够被操作系统的任务调度器识别，并给他分配 CPU 资源，当然这行代码所代表的指令必须是 CPU 可以解码识别的，所以一行 Java 代码必须被解释成对应的 CPU 指令才能执行。下面我们看下System.out.println("Hello world")这行代码的转译过程。
刚刚说到， CPU 只要一上电就像一个永动机， 不停的取指令，运算，周而复始，而中断便是操作系统的灵魂，故名思议，中断就是打断 CPU 的执行过程，转而去做点别的。 例如系统执行期间发生了致命错误，需要结束执行，例如用户程序调用了一个系统调用的方法，例如mmp等，就会通过中断让 CPU 切换上下文，转到内核空间，例如一个等待用户输入的程序正在阻塞，而当用户通过键盘完成输入，内核数据已经准备好后，就会发一个中断信号，唤醒用户程序把数据从内核取走，不然内核可能会数据溢出，当磁盘报了一个致命异常，也会通过中断通知 CPU ，定时器完成时钟滴答也会发时钟中断通知 CPU 。 中断的种类，我们这里就不做细分了，中断有点类似于我们经常说的事件驱动编程，而这个事件通知机制是怎么实现的呢，硬件中断的实现通过一个导线和 CPU 相连来传输中断信号，软件上会有特定的指令，例如执行系统调用创建线程的指令，而 CPU 每执行完一个指令，就会检查中断寄存器中是否有中断，如果有就取出然后执行该中断对应的处理程序。 陷入内核 : 我们在设计软件的时候，会考虑程序上下文切换的频率，频率太高肯定会影响程序执行性能，而陷入内核是针对 CPU 而言的， CPU 的执行从用户态转向内核态，以前是用户程序在使用 CPU ，现在是内核程序在使用 CPU ，这种切换是通过系统调用产生的。 系统调用是执行操作系统底层的程序，Linux的设计者，为了保护操作系统，将进程的执行状态用内核态和用户态分开，同一个进程中，内核和用户共享同一个地址空间，一般 4G 的虚拟地址，其中 1G 给内核态， 3G 给用户态。在程序设计的时候我们要尽量减少用户态到内核态的切换，例如创建线程是一个系统调用，所以我们有了线程池的实现。
从 Linux 内存管理角度理解 JVM 内存模型
进程上下文
我们可以将程序理解为一段可执行的指令集合，而这个程序启动后，操作系统就会为他分配 CPU ，内存等资源，而这个正在运行的程序就是我们说的进程，进程是操作系统对处理器中运行的程序的一种抽象。 而为进程分配的内存以及 CPU 资源就是这个进程的上下文，保存了当前执行的指令，以及变量值，而 JVM 启动后也是linux上的一个普通进程，进程的物理实体和支持进程运行的环境合称为上下文，而上下文切换就是将当前正在运行的进程换下，换一个新的进程到处理器运行，以此来让多个进程并发的执行，上下文切换可能来自操作系统调度，也有可能来自程序内部，例如读取IO的时候，会让用户代码和操作系统代码之间进行切换。
enter image description here 在 Java 中，我们使用 MappedByteBuffer 来实现内存映射，这是一个堆外内存，在映射完之后，并没有立即占有物理内存，而是访问数据页的时候，先查页表，发现还没加载，发起缺页异常，然后在从磁盘将数据加载进内存，所以一些对实时性要求很高的中间件，例如rocketmq，消息存储在一个大小为1G的文件中，为了加快读写速度，会将这个文件映射到内存后，在每个页写一比特数据，这样就可以把整个1G文件都加载进内存，在实际读写的时候就不会发生缺页了，这个在rocketmq内部叫做文件预热。
enter image description here 在 Disruptor 中，通过填充几个无意义的字段，让对象的大小刚好在 64 字节，一个缓存行的大小为64字节，这样这个缓存行就只会给这一个变量使用，从而避免缓存行伪共享，但是在 jdk7 中，由于无效字段被清除导致该方法失效，只能通过继承父类字段来避免填充字段被优化，而 jdk8 提供了注解@Contended 来标示这个变量或对象将独享一个缓存行，使用这个注解必须在 JVM 启动的时候加上 -XX:-RestrictContended 参数，其实也是用空间换取时间。
jdk6 --- 32 位系统下 public final static classVolatileLong{ public volatile long value = 0L; public long p1， p2， p3， p4， p5， p6; // 填充字段 }jdk7 通过继承 publicclassVolatileLongPadding { public volatile long p1， p2， p3， p4， p5， p6; // 填充字段 } publicclassVolatileLong extends VolatileLongPadding { public volatile long value = 0L; }jdk8 通过注解 @ContendedpublicclassVolatileLong { public volatile long value = 0L; }
NPTL和 Java 的线程模型
按照教科书的定义，进程是资源管理的最小单位，而线程是 CPU 调度执行的最小单位，线程的出现是为了减少进程的上下文切换（线程的上下文切换比进程小很多），以及更好适配多核心 CPU 环境，例如一个进程下多个线程可以分别在不同的 CPU 上执行，而多线程的支持，既可以放在Linux内核实现，也可以在核外实现，如果放在核外，只需要完成运行栈的切换，调度开销小，但是这种方式无法适应多 CPU 环境，底层的进程还是运行在一个 CPU 上，另外由于对用户编程要求高，所以目前主流的操作系统都是在内核支持线程，而在Linux中，线程是一个轻量级进程，只是优化了线程调度的开销。
TIMED WAITING (parking) 和 WAITING (parking) 程序调用了 Unsafe.park()，线程被挂起，等待某个条件发生，waiting on condition
而在 POSIX 标准中，thread_block 接受一个参数 stat ，这个参数也有三种类型，TASK_BLOCKED， TASK_WAITING， TASK_HANGING，而调度器只会对线程状态为 READY 的线程执行调度，另外一点是线程的阻塞是线程自己操作的，相当于是线程主动让出 CPU 时间片，所以等线程被唤醒后，他的剩余时间片不会变，该线程只能在剩下的时间片运行，如果该时间片到期后线程还没结束，该线程状态会由 RUNNING 转换为 READY ，等待调度器的下一次调度。 好了，关于线程就分析到这，关于 Java 并发包，核心都在 AQS 里，底层是通过 UnSafe类的 cas 方法，以及 park 方法实现，后面我们在找时间单独分析，现在我们在看看 Linux 的进程同步方案。 POSIX表示可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface of UNIX，缩写为 POSIX ），POSIX标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准。 CAS 操作需要 CPU 支持，将比较 和 交换 作为一条指令来执行， CAS 一般有三个参数，内存位置，预期原值，新值 ，所以UnSafe 类中的 compareAndSwap 用属性相对对象初始地址的偏移量，来定位内存位置。
publicfinalvoidwait(long timeout， int nanos)throws InterruptedException {
if (timeout < 0) {
thrownewIllegalArgumentException("timeout value is negative");
}
if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
thrownewIllegalArgumentException(
"nanosecond timeout value out of range");
}
if (nanos > 0) {
timeout++;
}
wait(timeout);
}
这个方法是想提供一个可以支持纳秒级的超时时间，然而只是粗暴的加 1 毫秒。 Thread.sleep(long millisecond) 目前一般通过这种方式释放 CPU ，如果参数为 0 ，表示释放 CPU 给更高优先级的线程，自己从运行状态转换为可运行态等待 CPU 调度，他也提供了一个可以支持纳秒级的方法实现，跟 wait 额区别是它通过 500000 来分隔是否要加 1 毫秒。
publicstaticvoidsleep(long millis， int nanos)throws InterruptedException {
if (millis < 0) {
thrownewIllegalArgumentException("timeout value is negative");
}
if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
thrownewIllegalArgumentException(
"nanosecond timeout value out of range");
}
if (nanos >= 500000 || (nanos != 0 && millis == 0)) {
millis++;
}
sleep(millis);
}
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