操作系统底层核心讲解( 二 ) _操作系统

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

文章插图

存储器存储空间大小：内存>L3>L2>L1>寄存器；
存储器速度快慢排序：寄存器>L1>L2>L3>内存；
还有一点值得注意的是：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 。
缓存行是什么意思呢？
比如你的L1缓存大小是512kb,而cacheline = 64byte,那么就是L1里有512 * 1024/64个cacheline

CPU读取存储器数据过程
1、CPU要取寄存器X的值，只需要一步：直接读取。
2、CPU要取L1 cache的某个值，需要1-3步（或者更多）：把cache行锁住，把某个数据拿来，解锁，如果没锁住就慢了。
3、CPU要取L2 cache的某个值，先要到L1 cache里取， L1当中不存在，在L2里， L2开始加锁，加锁以后，把L2里的数据复制到L1 ，再执行读L1的过程，上面的3步，再解锁。
4、CPU取L3 cache的也是一样，只不过先由L3复制到L2 ，从L2复制到L1 ，从L1到CPU 。
5、CPU取内存则最复杂：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，回应数据保存到L3（如果没有就到L2），再从L3/2到L1 ，再从L1到CPU ，之后解除总线锁
定。
CPU为何要有高速缓存
CPU在摩尔定律的指导下以每18个月翻一番的速度在发展，然而内存和硬盘的发展速度远远不及CPU 。这就造成了高性能能的内存和硬盘价格及其昂贵。然而CPU的高度运算需要高速的数据。为了解决这个问题， CPU厂商在CPU中内置了少量的高速缓存以解决IO速度和CPU运算速度之间的不匹配问题。在CPU访问存储设备时，无论是存取数据抑或存取指令，都趋于聚集在一片连续的区域中，这就被称为局部性原理。

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。

带有高速缓存的CPU执行计算的流程
1. 程序以及数据被加载到主内存
2. 指令和数据被加载到CPU的高速缓存
3. CPU执行指令，把结果写到高速缓存
4. 高速缓存中的数据写回主内存
CPU运行安全等级

CPU有4个运行级别，分别为：

ring0
ring1
ring2
ring3

linux与windows只用到了2个级别:ring0、ring3 ，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，说到这里相信同学们明白为什么JVM创建线程，线程阻塞唤醒是重型操作了，因为CPU要切换运行状态。

JVM创建线程CPU的工作过程

step1：CPU从ring3切换ring0创建线程
step2：创建完毕,CPU从ring0切换回ring3
step3：线程执行JVM程序
step4：线程执行完毕，销毁还得切会ring0

操作系统内存管理
执行空间保护
操作系统有用户空间与内核空间两个概念，目的也是为了做到程序运行安全隔离与稳定，以
32位操作系统4G大小的内存空间为例

文章插图

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。从0x00000000 到 0xc0000000（PAGE_OFFSET）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）。从0xc0000000（PAGE_OFFSET）到 0xFFFFFFFFF的线性地址只能由内核代码进行访问（即内核空间）。内核代码及其数据结构都必须位于这 1 GB的地址空间中，但是对于此地址空间而言，更大的消费者是物理地址的虚拟映射。