计算机基础知识

---

前言

在学习Java多线程编程之前，有必要先了解计算机基础知识。不必对个别问题过于深入，核心是后续的Java多线程编程。

---

冯诺依曼计算机模型

现代计算机模型基于——冯诺依曼计算机模型
冯诺依曼计算机模型由冯诺依曼于20世纪40年代提出，因此成为冯诺依曼计算机模型。由运算器、控制器、存储器以及输入输出设备组成。

输入设备：鼠标、键盘等
输出设备：屏幕、打印机等
运算器&控制器：CPU
存储器：内存、硬盘、U盘等

冯诺依曼计算机理论抽象模型

上面是理论抽象模型，现代计算机更为复杂，如下图

现代计算机模型

上图中的CPU和内存，是我们学习Java多线程编程的重点，因此我们主要看这两个模块。

CPU

CPU由三部分组成，控制单元、存储单元、运算单元。

所谓控制单元，顾名思义，是控制整个cpu运行的关键单元。CPU能理解的语言是一条一条的汇编指令（以下都简称指令），想要指令正确有序的运行，就需要存储指令、指令计数以及记录指令所需数据的地址，这也就对应着三个寄存器，分别是指令寄存器、指令计数器、地址寄存器。

存储单元很明显是用来存储数据的，由高速缓存组和寄存器组构成。cpu要读取内存中的值，必须经过高速缓存组和寄存器组。有小伙伴会有疑问，为什么我们有了内存，还需要再cpu里再加入存储单元呢？这是因为cpu和内存速度不匹配。根据摩尔定律CPU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，因此CPU和内存之间存在严重的速度差，CPU会有大量空闲时间在等待来自内存的数据，效率低下。
举个例子，我一秒做一道算术题，老师两秒才给我出一道算术题，那我有一秒就要闲着。我老爹一看，这哪能行，不能让孩子闲着呀，干脆每次从老师那搞来一张算数试卷，熊孩子你算去吧，别闲着，算完再拿。在这个例子中，我的角色就是CPU，老师就是内存，试卷就是高速缓存。这样就能让CPU一刻不停的计算啦。
目前CPU高速缓存已经形成了多级缓存架构，共有三个，L1~3，空间由小到大，距离由近到远，优先级由高到低。因此数据和指令的读取顺序为寄存器→L1→L2→L3→内存。
L1 Cache，分为数据缓存和指令缓存，逻辑核独占。逻辑核心就是单个CPU上逻辑划分出的，可以独立运行线程的核心，也就是我们常说的单CPU 4核或单CPU 8核。
L2 Cache，物理核独占，逻辑核共享
L3 Cache，所有物理核共享
为了进一步提升性能，CPU数据和指令读取还定义了两个特性：时间局部性、空间局部性
时间局部性：数据A现在被用到，接下来一段时间也可能被用到。（因此数据和指令会被缓存在高速缓存中一段时间，避免多次读取内存）
空间局部性：数据A被用到，那么和数据A地址相连的其他数据也可能被用到。（因此读取数据和指令时，会将和目标数据A地址连续的数据BCD...一起读取到高速缓存，避免多次读取内存）

运算单元，用二进制完成加减乘除等数学计算。

最后说一下关于CPU运行安全级别。CPU运行安全级别是为了操作系统安全而做出的划分，分为ring0~3。windows和linux系统都只是用了ring0和ring3。操作系统运行在ring0，而用户应用程序运行在ring3。
ring0：是我们常说的内核态，可以操作内核空间和用户空间的内存（下文内存模块会讲到此概念）
ring3：是用户态，只能操作用户空间的内存。

内存

大家都知道内存存储着CPU运行所需要数据，没太多好说的，主要讲一下上文提到的内核空间和用户空间。
正如CPU划分运行安全级别一样，为了操作系统的安全，操作系统将内存也划分为内核空间和用户空间。
内核空间：CPU处于内核态时才可操作
用户空间：CPU在内核态和用户态时都可操作

---

总结

由冯诺依曼计算机模型发展出现代计算机应用模型，其中CPU和内存是核心。
为了解决CPU和内存的速度差，CPU发展出了高速缓存L1~3和时间局部性、空间局部性。
为了解决操作系统安全问题，划分操作系统ring0内核态，ring3用户态。
CPU调度的基本单位——线程，有两种模型，内核线程模型KTL和用户线程模型UTL。
内存是为了操作系统安全问题，划分内核空间和用户空间。

---

                                                                     秃了，也强了，一只走在秃头路上的程序猿