当前位置:

首页 > 编程开发 > Java底层操作系统与并发基础知识有哪些

Java底层操作系统与并发基础知识有哪些

一、现代计算机硬件结构核心部分:CPU、内存1.CPU内部结构控制单元:整个CPU的指挥控制中心运算单元:运算器核心,执行算术运算与逻辑运算。运算器接收控制单元的指令而执行动作存储单元:CPU中暂时存储数据的地方,包括CPU片内缓存Cache和寄存器组1.1.CPU缓存结构现代CPU为了提升执行效率,减少CPU与内存的交互(交互影响CPU效率),一般在CPU上集成了多级缓存架构,常见的为三级缓存结构L1Cache,分为数据缓存和指令缓存,逻辑核独占L2Cache,物理核独占,逻辑核共享L3Cache,所有

一、现代计算机硬件结构

Java底层操作系统与并发基础知识有哪些

 核心部分: CPU、内存

1.CPU内部结构

Java底层操作系统与并发基础知识有哪些

  • 控制单元: 整个 CPU 的指挥控制中心

  • 运算单元: 运算器核心,执行算术运算与逻辑运算。运算器接收控制单元的指令而执行动作

  • 存储单元: CPU 中暂时存储数据的地方,包括 CPU 片内缓存 Cache 和 寄存器组

1.1.CPU缓存结构

现代 CPU 为了提升执行效率,减少 CPU 与内存的交互(交互影响 CPU 效率),一般在 CPU上集成了多级缓存架构,常见的为三级缓存结构

  • L1 Cache,分为数据缓存和指令缓存,逻辑核独占

  • L2 Cache,物理核独占,逻辑核共享

  • L3 Cache,所有物理核共享

Java底层操作系统与并发基础知识有哪些

此机器的三级缓存架构如下图:L1 Cache又分为两种,指令存储单元(存指令),和逻辑存储单元(存逻辑)。理论上一台机器可以有多个 CPU,由插槽决定,一个 CPU 又有多核,一个核又可以由多个逻辑处理器。

Java底层操作系统与并发基础知识有哪些

寄存器是 CPU 内部元件,读写速度非常快。 CPU 读取数据只会从寄存器中去取,每个 CPU 都有一个独有的寄存器,其他 CPU 无法访问。采用寄存器,可以减少 CPU 访问内存的次数,从而提高了 CPU 的工作速度。

越靠近 CPU 读取速度越快,摩尔定律中,CPU 以每18个月翻一番的速度在发展,而内存和硬盘的发展速度远远跟不上。为了解决 CPU 运算速度和 I\O 速度不匹配的问题,CPU 开始被内置了少量的高速缓存 Lx Cache(CPU空间有限,存储元件大小受限)。

  • 存储器存储空间大小: 内存 > L3 Cache > L2 Cache > L1 Cache > 寄存器

  • 存储器读取速度快慢: 寄存器 > L1 Cache > L2 Cache > L3 Cache > 内存

  • 缓存是由最小的存储区块--- 缓存行(CacheLine) 组成,缓存行大小通常为64byte。我的机器L1的缓存大小时512K,则由512 * 1024/64个缓存行组成。

CPU读取存储器数据过程: CPU 仅能直接从寄存器中获取数据。 假设数据 x = 0 在内存中,则它的取值过程如下:

判断寄存器中是否存在

不存在则遍历L1 Cache 看是否存在,不存在遍历L2 Cache,L2 Cache 中没有,遍历L3 Cache。中间过程存在,则会把 Cache 行锁住,拷贝到上一级,直至到寄存器。

Cache 中没有则区内存中找,先通知内存控制器占用总线带宽,通知内存加锁,发起内存读请求,等待回应,回应数据拷贝到L3 Cache。 注意:整个过程加锁直至到CPU才会解开

局部性原理:在CPU访问存储设备时,无论是存取数据还是存取指令,都趋于聚集在一片连续的区域中。

这种局部性原理又有两种:

  • 时间局部性(Temporal Locality): 如果一个信息项正在被访问,那么在近期它很可能还会被再次访问。 比如循环、递归、方法的反复调用等。

  • 空间局部性(Spatial Locality): 如果一个存储器的位置被引用,那么将来他附近的位置也会被引用。 比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等。

空间局部性的例子: 一个很大的二维数组,累加求和一行一行加会比一列一列累加快很多。在CPU 在内存中读取数据时会将附件的数据都读进去。

1.2.CPU运行安全等级

CPU被划分为 4 个运行级别:

  •  ring0 内核态

  •  ring1

  •  ring2

  •  ring3 用户态

Linux 和 Windows 都只用到了两个级别:ring0ring3,操作系统内部内部程序指令通常运行在 ring0 级别,操作系统以外的第三方程序运行在 ring3 级别,第三方程序如果要调用操作系统内部函数功能,由于运行安全级别不够,必须切换CPU运行状态,从 ring3 切换到 ring0, 然后执行系统函数,创建线程,线程阻塞唤醒是重型操作,因为CPU要切换运行状态。 

JVM 创建线程是 CPU 的流程:

  • 第一步:CPU 从 ring3 切换 ring0 创建线程

  • 第二步: 创建完毕,CPU从 ring0 切回 ring3

  • 第三步: 线程执行JVM程序

  • 第四步: 线程执行完毕,销毁切回 ring0

  • 第五步: 线程销毁,切回 ring3

2.操作系统内存管理

为了使程序运行安全隔离与稳定,操作系统有用户空间内核空间两个概念。以 32位操作系统4G大小的内存空间为例:

Java底层操作系统与并发基础知识有哪些

Linux 为内核代码和数据结构预留了几个页框,这些页永远不会被转出到磁盘上(4GB内存空间,用户程序可使用3GB)。如图绿色部分的线性地址可由用户代码和内核代码进行引用(即用户空间)。黄色部分的线性地址只能由内核代码进行访问(即内核空间)。

进程与线程只能运行在用户方式(usermode) 或 内核方式(kernelmode) 下。用户程序运行在用户方式下,而系统调用运行在内核方式下。

用户方式下使用一般的堆栈(用户空间的堆栈),内核方式下使用固定大小的堆栈(内核空间的堆栈,一般为一个内存页的大小),即每个进程与线程其实有两个堆栈,分别运行与用户态内核态

CPU调度的基本单位线程,也划分为:

  • 内核线程模型(KLT): Java使用,内核保存线程的状态和上下文信息,线程阻塞不会引起进程阻塞。在多处理器系统上,多线程在多处理器上并行运行。线程的创建、调度和管理由内核完成,效率比ULT要慢,比进程操作快。

  • 用户线程模型(ULT): 不依赖操作系统核心,应用提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。不需要用户态/内核态切换,速度快。内核对ULT无感知,线程阻塞则进程(包括它的所有线程)阻塞

Java底层操作系统与并发基础知识有哪些

 线程都有两个堆栈,一个在用户空间,一个在内核空间。阻塞、创建、杀死线程将抛弃用户空间的堆栈,转移到内核空间,执行完毕后再转移到用户空间。

3.进程与线程

进程: 操作系统资源分配的最小单位,例如:启动一个 Java 程序,操作系统就会创建一个Java 进程,进程中可以包含多个线程。

线程: 操作系统调度CPU的最小单元,线程都拥有各自的计数器、堆栈和局部变量等属性, 并且能够访问共享的内存变量。CPU 在这些线程上高速切换,让使用者感觉到这些线程在同时执行(并发)。

线程上下切换: 保存上一个线程运行的中间状态,执行下一个线程

Java底层操作系统与并发基础知识有哪些

  • 串行: 时间上不可重叠,前一个任务没完成,下一个任务只能等待

  • 并行: 时间上是重叠的,两个任务在同一时刻互不干扰的同时执行

  • 并发: 运行两个任务彼此干扰,同一时间点,只有一个任务执行,交替执行

本文内容来源于互联网,如有侵权请联系删除。
作者最新文章
编程开发
相关文章 更多
C++动态数组初始化怎么写?常用语句与代码示例
C++动态数组初始化怎么写?常用语句与代码示例

深入解析C++中动态数组的初始化机制,涵盖new操作符的不同用法、基本类型与类对象的初始化差异,以及为何在现代C++开发中应优先使用std::vector。

谷歌浏览器Mac版入口
谷歌浏览器Mac版入口

谷歌浏览器Mac版官方安装指南 谷歌浏览器Mac版官方安装入口是https://www.google.com/chrome/,需macOS 12+系统、500MB空间,下载.dmg后拖入应用程序安装,支持多设备同步、性能优化与隐私保护功能。 苹果电脑Chrome的安装入口究竟在哪里?这个问题最近可是

Chrome浏览器JS脚本不运行怎么办
Chrome浏览器JS脚本不运行怎么办

Chrome中JavaScript未执行需依次检查:一、移除站点级禁用并添加允许域名;二、开启全局JavaScript开关;三、禁用干扰扩展;四、在开发者工具中启用JavaScript;五、重置内容设置为默认。 有时在Chrome里打开网页,会发现交互按钮点了没反应,数据加载不出来,页面仿佛“静止”

IE浏览器怀旧版在线网址
IE浏览器怀旧版在线网址

IE浏览器怀旧版在线网址:一次精准的技术时光回溯 最近,不少老用户和怀旧爱好者在反复搜索一个问题:那个经典的Internet Explorer,如今还能在哪里原汁原味地体验到?答案指向一个特定的地址:https://ie.microsoft.com/legacy/。 这个网站远不止是一个简单的“皮肤

火狐浏览器有哪些设置功能
火狐浏览器有哪些设置功能

火狐浏览器五大核心设置功能:解锁高效、安全与个性化体验 火狐浏览器功能强大,但如果不仔细挖掘,很多能大幅提升效率和安全性的设置可能就“藏着掖着”了。这就好比拥有一台高性能设备,却只用了基础模式。那么,如何把它调整到最顺手、最安全的状态?接下来,我们就聚焦于当前版本(截至2025年末)最关键的五大设置

chrome搜索免验证入口
chrome搜索免验证入口

Chrome官方免验证入口为https://www.google.cn/chrome/,提供全平台安装包、免登录即用、本地化安全机制及引擎级性能优化。 到底该去哪里找正版、免费且无需繁琐验证的Chrome浏览器入口?这个问题困扰了不少网友。今天,我们就来直通核心,为大家详细拆解Chrome引擎的官方

java heap space 选型思路:使用场景与区别整理
java heap space 选型思路:使用场景与区别整理

Java堆是JVM存储对象的核心内存区域,配置需结合场景:单体应用适中设置;大数据处理需大堆并关注GC停顿;微服务强调快速启动;高并发需精细划分堆区域。关键参数-Xms和-Xmx建议等值以稳定性能。垃圾回收器选择影响效率,如G1适用于大堆,ZGC可实现低停顿。内存错误时需监控堆状态。

java heap space 使用中遇到的问题怎么解决
java heap space 使用中遇到的问题怎么解决

Java堆内存溢出错误通常因内存泄漏、数据处理需求过大或JVM参数配置不当引起。排查时可借助jmap、堆转储及MAT等工具定位问题。解决方案包括调整JVM内存参数(如-Xmx)、修复代码中的内存泄漏、优化大数据处理逻辑,并建立持续监控与预防机制,以保障应用稳定运行。

java xml 选型思路:使用场景与区别整理
java xml 选型思路:使用场景与区别整理

XML在Java开发中用于配置、数据交换等场景。解析方式主要有DOM、SAX、StAX及第三方库。DOM适合操作小文件,SAX/StAX适合处理大文件流,JAXB用于对象与XML映射。选型需结合数据大小、内存、性能及团队熟悉度,现代框架常封装底层解析。

using namespace 使用中遇到的问题怎么解决
using namespace 使用中遇到的问题怎么解决

命名空间的基本概念与常见引入问题在C++等编程语言中,命名空间(namespace)是一种将代码标识符(如变量、函数、类名)封装在特定名称下的机制,其主要目的是避免命名冲突,尤其是在大型项目或使用多个第三方库时。使用“using namespace”指令可以将指定命名空间中的所有名称引入当前作用域,

查看更多
精品专题 更多
装机必备
装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows
Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

macOS软件
macOS软件

正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

Mac软件 更多
灵活计算器
灵活计算器
macOS/iOS/Android

灵活计算器是一款笔记式算数应用,支持实时计算、动态关联和云端同步功能。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

赤友清理大师
赤友清理大师
macOS

赤友清理大师是一款为 Mac 设计的智能清理优化工具,可精准扫描垃圾、大文件、重复文件等,释放磁盘空间。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

极度公式
极度公式
Windows/macOS/Linux

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

WINDOWS 更多
Windows 10
Windows 10
Windows

Windows 10 是一款微软推出的经典操作系统,拥有硬件兼容性与多任务处理能力。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

极度公式
极度公式
Windows/macOS/Linux

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

密码键盘
密码键盘
Windows/macOS/iOS/Android

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。