Java开发者需要了解的硬件知识 (二)、操作系统篇

前言：

上一篇讲了CPU，作为整个计算机的核心计算硬件，讲解了它于JAVA语言间的瓜葛。这一篇讲讲计算机软件里的老大哥OS ----操作系统。

因为学习内容里有些不那么重要的知识点，往往就是截图或者少量文字带过，个人笔记不会记录那么多细节，详细资料请读者自己查询，见谅。

 

正文：

计算机的启动过程

通电 -> bios uefi 工作 -> 自检 -> 到硬盘固定位置加载bootloader -> 读取可配置信息 -> CMOS

 

OS 操作系统

内核分类

微内核 - 弹性部署 5G IoT

宏内核 - PC phone

外核 - 科研 实验中 为应用定制操作系统 (多租户 request-based GC JVM)

 

用户态和内核态

cpu分不同的指令级别

linux内核跑在ring 0级， 用户程序跑在ring 3，对于系统的关键访问，需要经过kernel的同意，保证系统健壮性

内核执行的操作 - > 200多个内核方法，通过系统调用 sendfile read write pthread fork

JVM -> 站在OS老大的角度，就是个普通程序

 

进程 线程 纤程(协程) 中断

面试高频：进程和线程有什么区别？

专业答案：进程是OS分配资源的基本单位，线程是执行调度的基本单位。

进程最重要的分配资源是：独立的内存空间，线程调度执行（线程共享进程的内存空间，没有自己独立的内存空间）

 

 

 

进程

Linux中也称为task，是系统分配资源的基本单位

资源包括：独立的地址空间，内核数据结构（进程描述符），全局变量， 数据段。。

Linux进程描述符：PCB （Process Control Block），用于Linux的进程管理（线程有他的PCB）

进程在Linux中的创建与启动

调用系统函数 fork()创建进程 ，exec()启动进程

从 A 中fork B 的话，A称之为B的父进程，B称之为A的子进程

僵尸进程

ps -ef |grep defunct (defunct表示无用的僵尸进程)

父进程产生子进程后，会维护子进程的PCB结构，子进程退出后，由父进程释放，如果父进程没有释放，那么子进程会成为一个僵尸进程（defunct）

孤儿进程

子进程结束之前，父进程已经退出，就会产生孤儿进程，孤儿进程会成为Init进程的子进程，由1号进程维护 (在图形化Linux中是1457号线程)

进程调度

内核进程调度器决定该哪个进程运行，何时开始，运行多长时间。

每个进程都可以自定义不同的调度方案

多任务执行分为

• 抢占式（大多数现代系统采用）：由进程调度器强制开始或暂停（抢占）某一进程的执行

• 非抢占式：除非进程主动让出（yielding）cpu，否则将一直运行

调度策略

Linux2.6采用CFS调度策略：Completely Fair Scheduler

按优先级分配时间片的比例，记录每个进程的执行时间，如果有一个进程执行时间不到他应该分配的比例，优先执行

默认调度策略：

• 实时进程 ： 优先级分高低 - FIFO (First In First Out)，优先级一样 - RR（Round Robin）

• 普通：CFS

线程在Linux中的实现

线程在Linux就是一个普通的进程，只不过和其他进程共享资源（内存空间，全局数据等。。。）

其他系统都有各自所谓的LWP的实现 Light Weight Process

内核线程

内核启动后需要做一些后台操作，这些操作由Kernel Thread 来完成，它只在内核空间中运行

在JVM中的线程

创建一个JVM中线程，即申请一个操作系统的线程（重量级线程），1：1关系

 

纤程 Fiber

纤程可以理解为线程里面的线程，用户态的线程而非内核态的线程。

它处于线程内部，非常轻量级，可以在线程中快速切换。JVM自己管理，自己切换，与操作系统无关。

优势：

1. 占有资源很少 ，OS 线程要1M ，而Fiber只需要4K

2. 切换比较简单

3. 可以启动很多个纤程，可以达到10W+

目前2020-03-22支持内置纤程的语言：Kotlin Scala Go Python(lib)...... Java14并没有（open jdk : loom库）

Java中对于纤程的支持：没有内置，盼望内置

纤程的应用场景

纤程 vs 线程池： 纤程适合很短的计算任务， 不需要和内核打交道，并发量高 的场景

 

中断

硬中断

硬件跟操作系统内核打交道的一种机制

软中断（80中断）

系统调用：int 0x80 或者 sysenter原语

通过ax寄存器填入调用号（调用号指定了对应的内核方法），参数通过bx cx dx si di 寄存器传入内核，最后返回值通过ax返回

java的一个中断例子

java读网络 –> jvm read() –> c库read() -> 内核空间 -> system_call() （系统调用处理程序）-> sys_read()

 

 

 

 

 

内存管理

DOS时代 - 同一时间只能有一个进程在运行（也有一些特殊算法可以支持多进程）

windows9x - 多个进程装入内存，如此就会出现两个问题

• 内存不够用

• 互相打扰

为了解决这两个问题，诞生了现在的内存管理系统：虚拟地址 分页装入 软硬件结合寻址

• 分页（内存不够用），内存中分成固定大小的页框（4K），把程序（硬盘上）分成4K大小的块，用到哪一块，加载那一块，加载的过程中，如果内存已经满了，会把最不常用的一块放到swap分区（即交换区，系统运行内存不够时，与Swap进行交换）， 把最新的一块加载进来，这个就是著名的LRU算法

  1. LRU算法 LeetCode146题Least Recently Used 算法（翻译为最不常用）

  2. 哈希表（保证 查找操作复杂度为O(1)） + 链表 （保证 排序操作和新增操作复杂度为 O(1)））

  3. 双向链表 （保证查找效率）

 

 

 

• 虚拟内存（解决相互打扰问题）

  1. DOS Win31 ... 这些旧的系统，都会直接操作内存，可能导致进程间互相干掉对方

  2. 为了保证互不影响 - 让进程工作在虚拟空间，程序中用到的空间地址不再是直接的物理地址，而是虚拟的地址，这样，A进程永远不可能访问到B进程的空间

  3. 虚拟空间多大呢？寻址空间 - 64位系统 2 ^ 64，比物理空间大很多 ，单位是byte

  4. 站在虚拟的角度，进程是独享整个系统 + CPU

  5. 内存映射：偏移量 + 段的基地址 = 线性地址 （虚拟空间）

  6. 线性地址通过 OS + MMU（硬件 Memory Management Unit），得到对应的物理内存地址

 

 

• 缺页中断（不是很重要）：

  1. 需要用到页面内存中没有，产生缺页异常（中断），由内核处理并加载